Teoretická fyzika - Theoretical physics

Vizuální znázornění Schwarzschildovy červí díry . Červí díry nebyly nikdy pozorovány, ale předpokládá se, že budou existovat prostřednictvím matematických modelů a vědecké teorie .

Teoretická fyzika je odvětví fyziky, které využívá matematické modely a abstrakce fyzických objektů a systémů k racionalizaci, vysvětlení a předpovědi přírodních jevů . To je na rozdíl od experimentální fyziky , která k experimentování s těmito jevy využívá experimentální nástroje.

Pokrok vědy obecně závisí na souhře experimentálních studií s teorií . V některých případech teoretická fyzika dodržuje standardy matematické přísnosti a experimentům a pozorováním přikládá malou váhu. Například při vývoji speciální relativity se Albert Einstein zajímal o Lorentzovu transformaci, která ponechala Maxwellovy rovnice neměnné, ale zjevně ho nezajímal Michelson-Morleyův experiment o driftu Země skrz světelný éter . Naopak Einstein získal Nobelovu cenu za vysvětlení fotoelektrického jevu , což byl dříve experimentální výsledek bez teoretické formulace.

Přehled

Fyzikální teorie je model fyzických událostí. Posuzuje se podle toho, do jaké míry se jeho předpovědi shodují s empirickými pozorováními. Kvalita fyzikální teorie se také posuzuje podle její schopnosti vytvářet nové předpovědi, které lze ověřit novými pozorováními. Fyzikální teorie se liší od matematické věty v tom, že zatímco obě jsou založeny na nějaké formě axiomů , úsudek matematické použitelnosti není založen na shodě s experimentálními výsledky. Fyzikální teorie se podobně liší od matematické teorie v tom smyslu, že slovo „teorie“ má z matematického hlediska jiný význam.

Rovnice Einsteinova potrubí , používané v obecné relativitě k popisu zakřivení časoprostoru

Fyzikální teorie zahrnuje jeden nebo více vztahů mezi různými měřitelnými veličinami. Archimedes si uvědomil, že loď plave přemístěním své masy vody, Pythagoras pochopil vztah mezi délkou vibrující struny a hudebním tónem, který produkuje. Mezi další příklady patří entropie jako míra nejistoty týkající se pozic a pohybů neviditelných částic a kvantově mechanická myšlenka, že ( akce a) energie nejsou nepřetržitě proměnné.

Teoretická fyzika se skládá z několika různých přístupů. V tomto ohledu je dobrým příkladem teoretická fyzika částic . Například: „ fenomenologové “ by mohli použít ( polo ) empirické vzorce a heuristiku, aby souhlasili s experimentálními výsledky, často bez hlubokého fyzického porozumění . „Modeláři“ (nazývaní také „stavitelé modelů“) se často podobají fenomenologům, ale snaží se modelovat spekulativní teorie, které mají určité žádoucí vlastnosti (spíše než experimentální data), nebo aplikovat techniky matematického modelování na fyzikální problémy. Některé pokusy o vytvoření přibližných teorií, nazývaných efektivní teorie , protože plně rozvinuté teorie lze považovat za neřešitelné nebo příliš komplikované . Jiní teoretici se mohou pokusit sjednotit , formalizovat, reinterpretovat nebo zobecnit existující teorie nebo vytvořit zcela nové teorie. Někdy může vize poskytovaná čistými matematickými systémy poskytnout vodítka k tomu, jak lze modelovat fyzický systém; např. představa, kvůli Riemannovi a dalším, že samotný prostor může být zakřivený. Teoretické problémy, které vyžadují výpočetní výzkum, jsou často předmětem počítačové fyziky .

Teoretické pokroky mohou spočívat v odložení starých, nesprávných paradigmat (např. Éterová teorie šíření světla, kalorická teorie tepla, hoření spočívající v vývoji flogistonu nebo astronomických těles obíhajících kolem Země ), nebo může jít o alternativní model, který poskytuje odpovědi, které jsou přesnější nebo to může být široce aplikováno. V druhém případě bude k obnovení dříve známého výsledku vyžadován zásada korespondence . Někdy však mohou zálohy postupovat různými cestami. Například v zásadě správná teorie může vyžadovat určité koncepční nebo faktické revize; atomová teorie , poprvé postulovaná před tisíci lety ( několika mysliteli v Řecku a Indii ) a teorie dvou tekutin elektřiny jsou v tomto bodě dva případy. Výjimkou ze všeho výše uvedeného je však dualita vln-částic , teorie kombinující aspekty různých protichůdných modelů prostřednictvím Bohrova principu komplementarity .

Vztah mezi matematikou a fyzikou

Fyzické teorie se stávají akceptovanými, pokud jsou schopné dělat správné předpovědi a žádné (nebo několik) nesprávných předpovědí. Teorie by měla mít, alespoň jako sekundární cíl, určitou ekonomiku a eleganci (ve srovnání s matematickou krásou ), pojem někdy nazývaný „ Occamův břitva “ po anglickém filozofovi Williamovi z Occam (nebo Ockham) ze 13. století , ve kterém upřednostňuje se jednodušší ze dvou teorií, které popisují stejnou věc stejně adekvátně (ale konceptuální jednoduchost může znamenat matematickou složitost). Je také pravděpodobnější, že budou přijaty, pokud spojují širokou škálu jevů. Testování důsledků teorie je součástí vědecké metody .

Fyzické teorie lze rozdělit do tří kategorií: tradiční teorie , navrhované teorie a okrajové teorie .

Dějiny

Teoretická fyzika začala přinejmenším před 2300 lety, v rámci předsokratické filozofie , a pokračovali Platón a Aristoteles , jejichž názory se po tisíciletí houpaly. Během vzestupu středověkých univerzit , jediné potvrzené intelektuální disciplíny byly sedm svobodných umění z Trivium jako gramatiky , logiky a rétoriky a ze Quadrivium jako aritmetický , geometrie , hudba a astronomie . Během středověku a renesance začal koncept experimentální vědy, kontrapunkt k teorii, vědcům jako Ibn al-Haytham a Francis Bacon . Jak vědecká revoluce nabírala na tempu, pojmy hmota , energie, prostor, čas a kauzalita začaly pomalu získávat podobu, kterou známe dnes, a další vědy se vyvinuly z rubriky přírodní filozofie . Tak začala moderní éra teorie s přesunem paradigmatu Koperníka v astronomii, brzy následovaly výrazy Johannesa Keplera pro planetární oběžné dráhy, které shrnovaly pečlivá pozorování Tycha Braheho ; práce těchto mužů (vedle Galileových) lze považovat za vědeckou revoluci.

Velký posun směrem k modernímu pojetí vysvětlení začal u Galilea , jednoho z mála fyziků, který byl dokonalým teoretikem i velkým experimentátorem . Analytická geometrie a mechanici Descartes byli včleněni do počtu a mechaniky z Isaaca Newtona , další teoretik / experimentátor nejvyššího řádu, psaní Principia Mathematica . Obsahovala velkou syntézu díla Koperníka, Galilea a Keplera; stejně jako Newtonovy teorie mechaniky a gravitace, které se držely jako světonázory až do počátku 20. století. Současně byl učiněn pokrok v optice (zejména v teorii barev a starověké vědě o geometrické optice ), s laskavým svolením Newtona, Descarta a Holanďanů Snella a Huygensa. V 18. a 19. století Joseph-Louis Lagrange , Leonhard Euler a William Rowan Hamilton podstatně rozšířili teorii klasické mechaniky. Zachytili interaktivní prolínání matematiky a fyziky, které začalo o dvě tisíciletí dříve Pythagoras.

Mezi velké koncepční úspěchy 19. a 20. století patřilo upevnění myšlenky na energii (stejně jako její globální zachování) zahrnutím tepla , elektřiny a magnetismu a poté světla . Tyto zákony termodynamiky , a co je nejdůležitější, že zavedení jednotného čísla pojmu entropie začal poskytovat makroskopické vysvětlení vlastností hmoty. Statistická mechanika (následovaná statistickou fyzikou a kvantovou statistickou mechanikou ) se na konci 19. století ukázala jako odnož termodynamiky. Další důležitou událostí v 19. století byl objev elektromagnetické teorie , sjednocující dříve samostatné jevy elektřiny, magnetismu a světla.

Pilíři moderní fyziky a možná nejrevolučnějšími teoriemi v historii fyziky byly teorie relativity a kvantová mechanika . Newtonovská mechanika byla zahrnuta pod speciální relativitu a Newtonova gravitace dostala kinematické vysvětlení obecnou relativitou . Kvantová mechanika vedla k pochopení černého záření (což ostatně, byl originální motivace pro teorii) a anomálií v měrného tepla z pevných látek - a nakonec k pochopení vnitřních struktur atomů a molekul . Kvantová mechanika brzy ustoupila formulaci teorie kvantového pole (QFT), která byla zahájena koncem 20. let 20. století. Po druhé světové válce přinesl další pokrok mnohem obnovený zájem o QFT, který od počátečních snah stagnoval. Ve stejném období došlo také k novým útokům na problémy supravodivosti a fázových přechodů i na první aplikace QFT v oblasti teoretické kondenzované hmoty. 1960 a 70. viděla formulaci modelu standardní částicové fyziky s využitím QFT a pokroku ve fyzice pevné (teoretických základů supravodivosti a kritické jevy , mezi jinými ), souběžně s aplikací relativity problémy v astronomii a kosmologii, resp .

Všechny tyto úspěchy závisely na teoretické fyzice jako hybné síle jak při navrhování experimentů, tak při konsolidaci výsledků - často důmyslnou aplikací existující matematiky, nebo, jako v případě Descarta a Newtona (u Leibnize ), vynalezením nové matematiky. Fourierovy studie vedení tepla vedly k novému oboru matematiky: nekonečné, ortogonální řady .

Moderní teoretická fyzika se pokouší sjednotit teorie a vysvětlit jevy v dalších pokusech o pochopení vesmíru , od kosmologické po stupnici elementárních částic . Tam, kde nelze experimentovat, se teoretická fyzika stále snaží pokročit pomocí matematických modelů.

Mainstreamové teorie

Teorie hlavního proudu (někdy označované jako ústřední teorie ) jsou souborem znalostí jak faktických, tak vědeckých pohledů a mají obvyklou vědeckou kvalitu testů opakovatelnosti, konzistence s existující zavedenou vědou a experimentováním. Existují teorie hlavního proudu, které jsou obecně přijímanými teoriemi založenými pouze na jejich účincích vysvětlujících širokou škálu dat, ačkoli detekce, vysvětlení a možné složení jsou předmětem debaty.

Příklady

Navrhované teorie

Tyto navrhované teorie fyziky jsou obvykle relativně nové teorie, které se zabývají studiem fyziky, které obsahují vědecké přístupy, prostředky pro určení platnosti modelů a nové druhy úvahy použity, aby se dospělo k teorii. Některé navrhované teorie však zahrnují teorie, které existují už desítky let a unikly metodám objevování a testování. Navrhované teorie mohou zahrnovat okrajové teorie v procesu prosazování (a někdy i širšího přijetí). Navrhované teorie obvykle nebyly testovány. Kromě teorií, jako jsou ty uvedené níže, existují také různé interpretace kvantové mechaniky , které mohou nebo nemusí být považovány za různé teorie, protože je diskutabilní, zda přinášejí různé předpovědi pro fyzikální experimenty, dokonce i v zásadě.

Příklady

Fringe teorie

Fringe teorie zahrnují každou novou oblast vědeckého úsilí v procesu zakládání a některé navrhované teorie. Může zahrnovat spekulativní vědy. To zahrnuje fyzikální pole a fyzikální teorie prezentované v souladu se známými důkazy a podle této teorie byl vytvořen soubor souvisejících předpovědí.

Některé okrajové teorie se staly široce přijímanou součástí fyziky. Jiné okrajové teorie jsou nakonec vyvráceny. Některé okrajové teorie jsou formou protovědy a jiné jsou formou pseudovědy . Falzifikace původní teorie někdy vede k přeformulování teorie.

Příklady

Myšlenkové experimenty vs. skutečné experimenty

„Myšlenkové“ experimenty jsou situace vytvořené v mysli člověka a kladou otázky podobné „předpokládejme, že jste v této situaci, za předpokladu, že je to pravda, co by následovalo?“. Obvykle jsou vytvářeny k vyšetřování jevů, které se v každodenních situacích nedají snadno zažít. Slavnými příklady takových myšlenkových experimentů jsou Schrödingerova kočka , myšlenkový experiment EPR , jednoduché ilustrace dilatace času atd. Ty obvykle vedou ke skutečným experimentům, jejichž cílem je ověřit správnost závěru (a tedy předpokladů) myšlenkových experimentů. Myšlenkový experiment EPR vedl k Bellovým nerovnostem , které byly poté testovány v různé míře přísnosti , což vedlo k přijetí současné formulace kvantové mechaniky a pravděpodobnosti jako pracovní hypotézy .

Viz také

Poznámky

Reference

Další čtení

  • Fyzikální vědy . Encyklopedie Britannica (Macropaedia) . 25 (15. vydání). 1994.
  • Duhem, Pierre. „La théorie physique - Son objet, sa structure,“ (ve francouzštině). 2. vydání - 1914. Anglický překlad: „Fyzikální teorie - její účel, její struktura,“. Publikováno filozofickým knihkupectvím Josepha Vrina (1981), ISBN   2711602214 .
  • Feynman a kol. „ Feynmanovy přednášky z fyziky “ (3. díl). První vydání: Addison – Wesley, (1964, 1966).
Nejprodávanější třídílná učebnice pokrývající rozsah fyziky. Reference pro (ne) postgraduální studenty i profesionální výzkumné pracovníky.
Slavná série knih zabývajících se teoretickými pojmy ve fyzice pokrývající 10 svazků, přeložená do mnoha jazyků a přetištěná v mnoha vydáních. V literatuře často známý jednoduše jako „Landau a Lifschits“ nebo „Landau-Lifschits“.
Soubor přednášek konaných v roce 1909 na Kolumbijské univerzitě .
Série lekcí od mistra pedagoga teoretických fyziků.

externí odkazy