Teoretisk fysik är en gren av fysiken där skapandet av teoretiska (främst matematiska ) modeller av fenomen och deras jämförelse med verkligheten används som det huvudsakliga sättet att förstå naturen . I denna formulering är teoretisk fysik en oberoende metod för att studera naturen, även om dess innehåll, naturligtvis, utformas med hänsyn till resultaten av experiment och observationer av naturen.
Den teoretiska fysikens metodik [1] består i att lyfta fram viktiga fysiska begrepp (som atom , massa , energi , entropi , fält , etc.) och att i matematiskt språk formulera naturlagarna som förbinder dessa begrepp; förklaring av de observerade naturfenomenen utifrån de formulerade naturlagarna; förutsägelse av nya naturfenomen som kan upptäckas.
En nära analog är matematisk fysik , som studerar egenskaperna hos fysiska modeller på en matematisk nivå av rigor, men som inte behandlar valet av fysiska begrepp och jämförelse av modeller med verkligheten (även om den mycket väl kan förutsäga nya fenomen).
Teoretisk fysik tar inte hänsyn till frågor som "varför ska matematik beskriva naturen?". Hon tar som ett postulat att den matematiska beskrivningen av naturfenomen av någon anledning är extremt effektiv [2] , och studerar konsekvenserna av detta postulat. Strängt taget studerar teoretisk fysik inte egenskaperna hos naturen själv, utan egenskaperna hos de föreslagna teoretiska modellerna. Dessutom studerar teoretisk fysik ofta vissa modeller "på egen hand", utan hänvisning till specifika naturfenomen.
Den teoretiska fysikens huvuduppgift förblir dock upptäckten och förståelsen av de mest allmänna naturlagarna som styr alla områden av fysiska fenomen, och för det andra, baserat på dessa lagar, en beskrivning av det förväntade beteendet hos vissa fysiska system i verklighet. En nästan specifik egenskap hos teoretisk fysik, till skillnad från andra naturvetenskaper, är förutsägelsen av ännu okända fysikaliska fenomen och exakta mätresultat.
Produkten av teoretisk fysik är fysikaliska teorier . Eftersom teoretisk fysik arbetar just med matematiska modeller är ett oerhört viktigt krav den matematiska konsistensen av en färdig fysikalisk teori. Den andra obligatoriska egenskapen som skiljer teoretisk fysik från matematik är möjligheten att inom teorin få förutsägelser för naturens beteende under vissa förhållanden (det vill säga förutsägelser för experiment) och, i de fall där resultatet av experimentet redan är känt, håller med om experimentet.
Det föregående tillåter oss att beskriva den allmänna strukturen för den fysiska teorin. Den måste innehålla:
Av detta blir det tydligt att uttalanden som "tänk om relativitetsteorin är fel?" meningslös. Relativitetsteorin , som en fysikalisk teori som uppfyller de nödvändiga kraven, är redan korrekt. Om det visar sig att det inte stämmer överens med experiment i vissa förutsägelser, betyder det att det inte är tillämpligt på verkligheten i dessa fenomen. Ett sökande efter en ny teori kommer att krävas, och det kan visa sig att relativitetsteorin kommer att visa sig vara något begränsande fall av denna nya teori. Ur teoretisk synvinkel finns det ingen katastrof i detta. Dessutom misstänks det nu att under vissa förhållanden (vid en energitäthet i storleksordningen Planck) kommer ingen av de existerande fysikaliska teorierna att vara tillräckliga.
I princip är en situation möjlig när det för samma spektrum av fenomen finns flera olika fysikaliska teorier som leder till liknande eller sammanfallande förutsägelser. Vetenskapshistorien visar att en sådan situation vanligtvis är tillfällig: förr eller senare visar sig antingen den ena teorin vara mer adekvat än den andra [3] , eller så visar sig dessa teorier vara likvärdiga (se nedan för ett exempel med kvantmekanik ).
Grundläggande fysikaliska teorier är som regel inte härledda från redan kända teorier, utan är byggda från grunden. Det första steget i en sådan konstruktion är den verkliga "gissningen" om vilken matematisk modell som ska läggas till grund. Det visar sig ofta att konstruktionen av en teori kräver en ny (och vanligtvis mer komplex) matematisk apparat, till skillnad från den som användes inom teoretisk fysik någonstans tidigare. Detta är inte ett infall, utan en nödvändighet: vanligtvis byggs nya fysikaliska teorier där alla tidigare teorier (det vill säga baserade på den "vanliga" materielen) har visat sin inkonsekvens i beskrivningen av naturen. Ibland visar det sig att motsvarande matematiska apparat inte finns i den rena matematikens arsenal, och den måste uppfinnas eller förbättras. Till exempel utvecklade akademikern Yu. A. Izyumov och medförfattare sin egen version av diagramtekniken för att beskriva spinnoperatorer, såväl som för operatorer som introducerades i studien av starkt korrelerade elektroniska system (de så kallade Hubbard X-operatorerna) [4] .
Ytterligare, men valfria, när man konstruerar en "bra" fysikalisk teori kan följande kriterier vara:
Kriterier som " sunt förnuft " eller "vardagsupplevelse" är inte bara oönskade när man konstruerar en teori, utan har redan lyckats misskreditera sig själva: många moderna teorier kan "motsäga sunt förnuft", men de beskriver verkligheten i många storleksordningar mer exakt än "teorier baserade på sunt förnuft."
Ovan finns de grundläggande fysikaliska teorierna, men i varje sektion av fysiken används specialiserade teorier, sammanlänkade av allmänheten hos fysikens grundläggande lagar, teoretiska och matematiska metoder. Sålunda är den kondenserade materiens fysik och fasta tillståndets fysik förgrenade områden av teoretisk utveckling baserad på redan kända mer allmänna teorier. Samtidigt fortsätter sådana områden som klassisk mekanik eller statistisk fysik att utvecklas och växa, ett antal av deras svåraste problem löstes först på 1900-talet.
Enligt den teoretiska fysikern akademiker S.V. Vonsovsky , sedan 1900-talet, har tillvägagångssätt och metoder för teoretisk fysik använts allt mer framgångsrikt inom andra vetenskaper. Så inom naturvetenskapen, där det finns mer uppenbara än grundläggande skillnader mellan discipliner, [5] etableras en viss typ av enhet, till exempel genom framväxten av mellanliggande discipliner, såsom kemisk fysik, geofysik, biofysik, etc., vilket leder till en övergång inom all naturvetenskap, från ett beskrivande till ett strikt kvantitativt stadium, med full kraft av den moderna matematiska apparatur som används inom teoretisk fysik. Samma trender har nyligen observerats inom samhälls- och humanvetenskap: ett komplex av vetenskaper inom ekonomisk kybernetik har uppstått, där matematiska modeller skapas med hjälp av den mest komplexa matematiska apparaturen. Och även inom vetenskaper som är ganska långt ifrån matematik, som historia och filologi, finns en önskan att utveckla speciella matematiska ansatser.