Теоретическая физика - Theoretical physics

Визуальное представление Шварцшильда червоточина. Червоточины никогда не наблюдались, но предполагается, что они будут существовать через математические модели и научная теория.

Теоретическая физика это филиал физика что нанимает математические модели и абстракции физических объектов и систем для рационализации, объяснения и прогнозирования природный феномен. Это в отличие от экспериментальная физика, который использует экспериментальные инструменты для исследования этих явлений.

Развитие наука обычно зависит от взаимодействия между экспериментальный исследования и теория. В некоторых случаях теоретическая физика придерживается стандартов математическая строгость уделяя мало внимания экспериментам и наблюдениям.[а] Например, при разработке специальная теория относительности, Альберт Эйнштейн был озабочен Преобразование Лоренца который оставил Уравнения Максвелла инвариантен, но, очевидно, не интересовался Эксперимент Майкельсона-Морли на земной шар дрейфует через светоносный эфир.[1] И наоборот, Эйнштейн был награжден Нобелевская премия для объяснения фотоэлектрический эффект, ранее экспериментальный результат, не имеющий теоретической формулировки.[2]

Обзор

А физическая теория модель физических событий. О нем судят по тому, насколько его прогнозы согласуются с эмпирическими наблюдениями. Качество физической теории также оценивается по ее способности делать новые прогнозы, которые могут быть подтверждены новыми наблюдениями. Физическая теория отличается от математическая теорема в то время как оба основаны на некоторой форме аксиомы, суждение о математической применимости не основано на согласии с какими-либо экспериментальными результатами.[3][4] Физическая теория так же отличается от математическая теория в том смысле, что слово «теория» имеет другое значение в математических терминах.[b]

Уравнения для Многообразие Эйнштейна, используется в общая теория относительности описать кривизну пространство-время

Физическая теория предполагает одно или несколько соотношений между различными измеримыми величинами. Архимед понял, что корабль плывет, вытесняя массу воды, Пифагор понял связь между длиной вибрирующий струна и музыкальный тон, который она производит.[5][6] Другие примеры включают энтропия как мера неопределенности относительно позиций и движения невидимого частицы и квантово-механический идея, что (действие и) энергия не являются непрерывно изменяемыми.

Теоретическая физика состоит из нескольких различных подходов. В этом отношении, теоретическая физика элементарных частиц образует хороший пример. Например: "феноменологи "может использовать (полу- ) эмпирический формулы и эвристика чтобы согласиться с экспериментальными результатами, часто без глубокого физического понимания.[c] «Разработчики моделей» (также называемые «строителями моделей») часто выглядят во многом как феноменологи, но пытаются смоделировать спекулятивные теории, которые имеют определенные желательные особенности (а не на экспериментальных данных), или применяют методы математическое моделирование к задачам физики.[d] Некоторые попытки создать приблизительные теории, названные эффективные теории, потому что полностью разработанные теории могут рассматриваться как неразрешимые или слишком сложно. Другие теоретики могут попытаться объединить формализовать, переосмыслить или обобщить существующие теории или вообще создать совершенно новые.[e] Иногда видение, обеспечиваемое чистыми математическими системами, может дать ключ к разгадке того, как можно моделировать физическую систему;[f] например, понятие из-за Риман и другие, что Космос сам может быть изогнутым. Теоретические проблемы, требующие вычислительного исследования, часто вызывают озабоченность вычислительная физика.

Теоретические успехи могут заключаться в отказе от старых, неверных парадигмы (например., теория эфира распространения света, теория калорий тепла, горения, состоящего из развивающихся флогистон, или астрономические тела вращается вокруг Земли ) или может быть альтернативной моделью, которая дает более точные или более широко применяемые ответы. В последнем случае принцип соответствия потребуется восстановить ранее известный результат.[7][8] Однако иногда успехи могут идти разными путями. Например, по существу правильная теория может нуждаться в некоторых концептуальных или фактических изменениях; атомная теория, впервые постулированный тысячелетия назад (автор несколько мыслителей в Греции и Индии ) и теория двух жидкостей электричества[9] два случая в этой точке. Однако исключением из всего вышеперечисленного является дуальность волна-частица, теория, объединяющая аспекты различных, противоположных моделей через Принцип дополнительности Бора.

Связь математики и физики

Физические теории принимаются, если они могут делать правильные прогнозы и нет (или несколько) неправильных. Теория должна иметь, по крайней мере в качестве второстепенной цели, определенную экономию и элегантность (сравните с математическая красота ), понятие иногда называют "бритва Оккама "после английского философа 13 века Уильям Оккам (или Оккама), в котором предпочтение отдается более простой из двух теорий, которые столь же адекватно описывают один и тот же вопрос (но концептуальная простота может означать математическую сложность).[10] Их также с большей вероятностью примут, если они связывают широкий спектр явлений. Проверка следствий теории - это часть научный метод.

Физические теории можно разделить на три категории: основные теории, предложенные теории и крайние теории.

История

Дальнейшая информация: История физики

Теоретическая физика зародилась не менее 2300 лет назад, при Досократическая философия, и продолжение Платон и Аристотель, чьи взгляды господствовали на протяжении тысячелетия. Во время подъема средневековые университеты, единственный признанные интеллектуальные дисциплины были семь гуманитарные науки из Тривиум подобно грамматика, логика, и риторика и из Квадривиум подобно арифметика, геометрия, Музыка и астрономия. Вовремя Средний возраст и эпоха Возрождения, Концепция чего-либо экспериментальный наука, контрапункт теории, начал с таких ученых, как Ибн аль-Хайсам и Френсис Бэкон. Поскольку Научная революция набрал темп, концепции иметь значение, энергия, пространство, время и причинность постепенно начали приобретать ту форму, которую мы знаем сегодня, и другие науки выделились из рубрики естественная философия. Так началась современная эра теории с Коперниканец сдвиг парадигмы в астрономии, вскоре последовавший Иоганн Кеплер выражения для планетных орбит, которые суммировали тщательные наблюдения Тихо Браге; Работы этих людей (наряду с работами Галилея), возможно, можно рассматривать как научную революцию.

Большой толчок к современной концепции объяснения начался с Галилео, один из нескольких физики который был одновременно прекрасным теоретиком и великим экспериментатор. В аналитическая геометрия и механика Декарт были включены в исчисление и механика из Исаак Ньютон, еще один теоретик-экспериментатор высшего ранга, написание Principia Mathematica.[11] В нем содержится великий синтез работ Коперника, Галилея и Кеплера; а также теории механики и гравитации Ньютона, которые господствовали в мировоззрении до начала 20 века. Одновременно был достигнут прогресс и в оптике (в частности, в теории цвета и древней науке о цветах). геометрическая оптика ), любезно предоставлено Ньютоном, Декартом и голландцами Снеллем и Гюйгенсом. В 18-19 веках Жозеф-Луи Лагранж, Леонард Эйлер и Уильям Роуэн Гамильтон значительно расширил бы теорию классической механики.[12] Они уловили интерактивное переплетение математика и физика начат двумя тысячелетиями ранее Пифагором.

Среди великих концептуальных достижений XIX и XX веков - закрепление идеи энергия (а также его глобальное сохранение) путем включения высокая температура, электричество и магнетизм, а потом свет. В законы термодинамики, и, самое главное, введение единственного понятия энтропия начал давать макроскопическое объяснение свойств материи. Статистическая механика (с последующим статистическая физика и Квантовая статистическая механика ) возникла как ответвление термодинамики в конце XIX века. Еще одним важным событием XIX века было открытие электромагнитная теория, объединяя прежде отдельные явления электричества, магнетизма и света.


Столпы современная физика, и, возможно, самые революционные теории в истории физики были теория относительности и квантовая механика. Механика Ньютона была отнесена к специальной теории относительности и теории Ньютона. сила тяжести получил кинематический объяснение общая теория относительности. Квантовая механика привела к пониманию черное тело радиация (что действительно было первоначальной мотивацией для теории) и аномалий в удельные плавки из твердые вещества - и, наконец, к пониманию внутренней структуры атомы и молекулы. Квантовая механика вскоре уступила место формулировке квантовая теория поля (QFT), начатое в конце 1920-х годов. После Второй мировой войны дальнейший прогресс привел к возобновлению интереса к QFT, который с первых же попыток угас. В тот же период были отмечены новые атаки на проблемы сверхпроводимости и фазовых переходов, а также первые применения КТП в области теории конденсированного состояния. В 1960-х и 1970-х годах были сформулированы Стандартная модель физики элементарных частиц использование КТП и прогресс в физике конденсированного состояния (теоретические основы сверхпроводимости и критические явления, среди прочего ), параллельно с применением теории относительности к проблемы в астрономии и космология соответственно.

Все эти достижения зависели от теоретической физики как движущей силы как для предложения экспериментов, так и для закрепления результатов - часто путем гениального применения существующей математики или, как в случае Декарта и Ньютона (с Лейбниц ), изобретая новую математику. Фурье исследования теплопроводности привели к новому разделу математики: бесконечный ортогональный ряд.[13]

Современная теоретическая физика пытается объединить теории и объяснить явления в дальнейших попытках понять Вселенная, от космологический к элементарная частица шкала. Там, где невозможно провести эксперименты, теоретическая физика по-прежнему пытается продвинуться вперед за счет использования математических моделей.

Мейнстримные теории

Мейнстримные теории (иногда называют центральные теории) представляют собой совокупность знаний как фактических, так и научных взглядов и обладают обычным научным качеством тестов на повторяемость, согласованность с существующей хорошо зарекомендовавшей себя наукой и экспериментами. Существуют господствующие теории, которые являются общепринятыми теориями, основанными исключительно на их эффектах, объясняющих широкий спектр данных, хотя их обнаружение, объяснение и возможная композиция являются предметами споров.

Примеры

Предлагаемые теории

В предложенные теории физики обычно являются относительно новыми теориями, которые имеют дело с изучением физики, которые включают научные подходы, средства для определения достоверности моделей и новые типы рассуждений, используемых для получения теории. Однако некоторые предлагаемые теории включают теории, которые существовали десятилетиями и ускользнули от методов открытия и проверки. Предлагаемые теории могут включать второстепенные теории в процессе становления (а иногда и получения более широкого признания). Предлагаемые теории обычно не проверялись.

Примеры

Теории крайности

Теории крайности включить любую новую область научных исследований в процесс становления и некоторые предлагаемые теории. Он может включать в себя умозрительные науки. Сюда входят области физики и физические теории, представленные в соответствии с известными доказательствами, и множество связанных с ними предсказаний было сделано в соответствии с этой теорией.

Некоторые второстепенные теории становятся широко принятой частью физики. Другие второстепенные теории в конечном итоге опровергаются. Некоторые периферийные теории представляют собой форму протонаука а другие являются формой лженаука. Фальсификация исходной теории иногда приводит к переформулировке теории.

Примеры

Мысленные эксперименты против реальных экспериментов

Основная статья: Мысленный эксперимент

«Мысленные» эксперименты - это ситуации, созданные в сознании человека, в которых задается вопрос, похожий на «предположим, что вы находитесь в этой ситуации, предполагая, что это правда, что будет дальше?». Обычно они создаются для исследования явлений, которые нелегко пережить в повседневных ситуациях. Известные примеры таких мысленных экспериментов: Кот Шредингера, то Мысленный эксперимент EPR, простые иллюстрации замедления времени, и так далее. Обычно они приводят к реальным экспериментам, предназначенным для проверки правильности выводов (и, следовательно, предположений) мысленных экспериментов. Мысленный эксперимент ЭПР привел к Неравенства Белла, которые тогда были проверено с разной степенью строгости, что привело к принятию нынешней формулировки квантовая механика и вероятностность как рабочая гипотеза.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Существуют некоторые споры относительно того, использует ли теоретическая физика математику для развития интуиции и иллюстративности для извлечения физической проницательности (особенно в нормальных условиях). опыт терпит неудачу), а не как инструмент формализации теорий. Это связано с вопросом об использовании математики в менее формально строгой и более интуитивной или понятной форме. эвристический способ, чем, скажем, математическая физика.
  2. ^ Иногда слово «теория» может использоваться неоднозначно в этом смысле не для описания научных теорий, а для описания (под) областей и программ. Примеры: теория относительности, квантовая теория поля, теория струн.
  3. ^ Работа Иоганн Балмер и Йоханнес Ридберг в спектроскопии, а полуэмпирическая формула массы ядерной физики - хорошие кандидаты в качестве примеров такого подхода.
  4. ^ В Птолемеев и Коперниканец модели Солнечной системы, модель атомов водорода Бора и модель ядерной оболочки являются хорошими кандидатами для примеров такого подхода.
  5. ^ Возможно, это самые известные теории в физике: теория гравитации Ньютона, теория относительности Эйнштейна и теория электромагнетизма Максвелла имеют некоторые из этих атрибутов.
  6. ^ Этот подход часто предпочитают (чистые) математики и математические физики.

Рекомендации

  1. ^ ван Донген, Йерун (2009). «О роли эксперимента Майкельсона-Морли: Эйнштейн в Чикаго». Архив истории точных наук. 63: 655–663. arXiv:0908.1545. Дои:10.1007 / s00407-009-0050-5.
  2. ^ "Нобелевская премия по физике 1921 г.". В Нобелевский фонд. Получено 2008-10-09.
  3. ^ Теоремы и теории В архиве 2014-08-19 в Wayback Machine, Сэм Нельсон.
  4. ^ Марк К. Чу-Кэрролл, 13 марта 2007 г .:Теоремы, леммы и следствия. Блог о хорошей математике, плохой математике.
  5. ^ Сингиресу С. Рао (2007). Вибрация непрерывных систем (иллюстрированный ред.). Джон Уайли и сыновья. 5,12. ISBN  978-0471771715. ISBN  9780471771715
  6. ^ Эли Маор (2007). Теорема Пифагора: 4000-летняя история (иллюстрированный ред.). Princeton University Press. стр.18 –20. ISBN  978-0691125268. ISBN  9780691125268
  7. ^ Бокулич, Алиса, "Принцип соответствия Бора ", Стэнфордская энциклопедия философии (Издание Весна 2014 г.), Эдвард Н. Залта (ред.)
  8. ^ Прил. Британника (1994), стр. 844.
  9. ^ Прил. Британника (1994), стр. 834.
  10. ^ Простота в философии науки (получено 19 августа 2014 г.), Интернет-энциклопедия философии.
  11. ^ См. «Переписка Исаака Ньютона, том 2, 1676–1687», изд. Г. В. Тернбулл, издательство Кембриджского университета, 1960; на странице 297, документ № 235, письмо Гука Ньютону от 24 ноября 1679 г.
  12. ^ Пенроуз, Р. (2004). Дорога к реальности. Джонатан Кейп. п.471.
  13. ^ Пенроуз, Р. (2004). «9: Разложения Фурье и гиперфункции». Дорога к реальности. Джонатан Кейп.

дальнейшее чтение

  • Физические науки. Британская энциклопедия (Макропедия). 25 (15-е изд.). 1994 г.
  • Дюгем, Пьер. "La théorie Physique - Son objet, sa structure" (на французском языке). 2-е издание - 1914 г. Английский перевод: «Физическая теория - ее цель, ее структура». Переиздано Джозеф Врин философский книжный магазин (1981), ISBN  2711602214.
  • Фейнман и др. "Лекции Фейнмана по физике "(3 тома). Первое издание: Addison – Wesley, (1964, 1966).
Трехтомный учебник-бестселлер по физике. Справка как для аспирантов, так и для профессиональных исследователей.
Знаменитая серия книг, посвященных теоретическим концепциям в физике, в 10 томах, переведенных на многие языки и переизданных многими изданиями. Часто известен в литературе просто как «Ландау и Лифщиц» или «Ландау-Лифщиц».
Серия лекций, прочитанных в 1909 г. Колумбийский университет.
  • Зоммерфельд, Арнольд. "Vorlesungen über Theoretische Physik" (Лекции по теоретической физике); Немецкий, 6 томов.
Серия уроков от ведущего преподавателя физиков-теоретиков.

внешняя ссылка