Fizica teoretică este o ramură a fizicii în care crearea de modele teoretice (în primul rând matematice ) ale fenomenelor și compararea lor cu realitatea este folosită ca principală modalitate de înțelegere a naturii . În această formulare, fizica teoretică este o metodă independentă de studiere a naturii, deși conținutul ei, desigur, este format luând în considerare rezultatele experimentelor și observațiilor naturii.
Metodologia fizicii teoretice [1] constă în evidențierea conceptelor fizice cheie (cum ar fi atom , masă , energie , entropie , câmp etc.) și formularea în limbaj matematic a legilor naturii care leagă aceste concepte; explicarea fenomenelor observate ale naturii pe baza legilor formulate ale naturii; prezicerea unor noi fenomene naturale care pot fi descoperite.
Un analog apropiat este fizica matematică , care studiază proprietățile modelelor fizice la un nivel matematic de rigoare, dar nu se ocupă de alegerea conceptelor fizice și de compararea modelelor cu realitatea (deși poate prezice noi fenomene).
Fizica teoretică nu ia în considerare întrebări precum „de ce ar trebui matematica să descrie natura?”. Ea ia drept postulat că, din anumite motive, descrierea matematică a fenomenelor naturale este extrem de eficientă [2] , și studiază consecințele acestui postulat. Strict vorbind, fizica teoretică studiază nu proprietățile naturii în sine, ci proprietățile modelelor teoretice propuse. În plus, fizica teoretică studiază adesea unele modele „pe cont propriu”, fără a se referi la fenomene naturale specifice.
Cu toate acestea, sarcina principală a fizicii teoretice rămâne descoperirea și înțelegerea celor mai generale legi ale naturii care guvernează orice domeniu al fenomenelor fizice și, în al doilea rând, pe baza acestor legi, o descriere a comportamentului așteptat al anumitor sisteme fizice în realitate. O caracteristică aproape specifică a fizicii teoretice, spre deosebire de alte științe ale naturii, este predicția unor fenomene fizice încă necunoscute și rezultate precise ale măsurătorilor.
Produsul fizicii teoretice sunt teoriile fizice . Deoarece fizica teoretică lucrează exact cu modele matematice, o cerință extrem de importantă este consistența matematică a unei teorii fizice finalizate. A doua proprietate obligatorie care deosebește fizica teoretică de matematică este posibilitatea de a obține în cadrul teoriei predicții pentru comportamentul naturii în anumite condiții (adică predicții pentru experimente) și, în acele cazuri în care rezultatul experimentului este deja cunoscut, de acord cu experimentul.
Cele de mai sus ne permit să conturăm structura generală a teoriei fizice. Acesta trebuie sa contina:
De aici devine clar că afirmații precum „ce se întâmplă dacă teoria relativității este greșită?” fără înţeles. Teoria relativității , ca teorie fizică care satisface cerințele necesare, este deja corectă. Dacă se dovedește că nu este de acord cu experimentul în unele predicții, atunci înseamnă că nu este aplicabil realității în aceste fenomene. Va fi necesară o căutare a unei noi teorii și se poate dovedi că teoria relativității se va dovedi a fi un caz limitativ al acestei noi teorii. Din punct de vedere al teoriei, nu există nicio catastrofă în asta. Mai mult, acum se bănuiește că în anumite condiții (la o densitate de energie de ordinul planckianului) niciuna dintre teoriile fizice existente nu va fi adecvată.
În principiu, este posibilă o situație când pentru aceeași gamă de fenomene există mai multe teorii fizice diferite care conduc la predicții similare sau coincidente. Istoria științei arată că o astfel de situație este de obicei temporară: mai devreme sau mai târziu, fie o teorie se dovedește a fi mai adecvată decât cealaltă [3] , fie aceste teorii se dovedesc a fi echivalente (vezi mai jos un exemplu cu mecanica cuantică ). ).
Teoriile fizice fundamentale, de regulă, nu sunt derivate din cele deja cunoscute, ci sunt construite de la zero. Primul pas într-o astfel de construcție este „ghicirea” reală a modelului matematic care ar trebui luat ca bază. Se dovedește adesea că construcția unei teorii necesită un aparat matematic nou (și de obicei mai complex), spre deosebire de cel folosit în fizica teoretică oriunde înainte. Acesta nu este un capriciu, ci o necesitate: de obicei, noi teorii fizice sunt construite acolo unde toate teoriile anterioare (adică bazate pe materialul „obișnuit”) și-au arătat inconsecvența în descrierea naturii. Uneori se dovedește că aparatul matematic corespunzător nu se află în arsenalul matematicii pure și trebuie inventat sau îmbunătățit. De exemplu, academicianul Yu. A. Izyumov și coautorii au dezvoltat propria versiune a tehnicii diagramei pentru descrierea operatorilor de spin, precum și pentru operatorii introduși în studiul sistemelor electronice puternic corelate (așa-numitii operatori Hubbard X) [4] .
Suplimentare, dar opționale, atunci când se construiește o teorie fizică „bună”, următoarele criterii pot fi:
Criterii precum „ bunul simț ” sau „experiența de zi cu zi” nu sunt doar nedorite atunci când se construiește o teorie, dar au reușit deja să se discrediteze: multe teorii moderne pot „contrazi bunul simț”, dar ele descriu realitatea cu multe ordine de mărime mai precis decât „teorii bazate pe bunul simț”.
Mai sus sunt teoriile fizice fundamentale, dar în fiecare secțiune a fizicii sunt folosite teorii specializate, interconectate prin generalitatea legilor fundamentale ale fizicii, metode teoretice și matematice. Astfel, fizica materiei condensate și fizica stării solide sunt domenii ramificate ale dezvoltărilor teoretice bazate pe teorii mai generale deja cunoscute. În același timp, domenii precum mecanica clasică sau fizica statistică continuă să se dezvolte și să crească, o serie dintre cele mai dificile probleme ale acestora fiind rezolvate abia în secolul al XX-lea.
Potrivit academicianului teoretician S.V. Vonsovsky , încă din secolul al XX-lea, abordările și metodele fizicii teoretice au fost folosite cu succes în alte științe. Deci, în științele naturii, unde există diferențe mai evidente decât fundamentale între discipline [5] , se stabilește un anumit tip de unitate, de exemplu, prin apariția unor discipline intermediare, precum fizica chimică, geofizica, biofizica etc., ceea ce duce la o tranziţie în toate ştiinţele naturii.de la o etapă descriptivă la una strict cantitativă, folosind întreaga putere a aparatului matematic modern folosit în fizica teoretică. Aceleași tendințe au fost observate recent și în științele sociale și umane: a apărut un complex de științe în cibernetica economică, unde modelele matematice sunt create folosind cel mai complex aparat matematic. Și chiar și în științe destul de departe de matematică, cum ar fi istoria și filologia, există dorința de a dezvolta abordări matematice speciale.