Az elméleti fizika a fizika egyik ága , amelyben a jelenségek elméleti (elsősorban matematikai ) modelljeinek létrehozását és a valósággal való összehasonlítását használják a természet megértésének fő módjaként. Ebben a megfogalmazásban az elméleti fizika a természet tanulmányozásának önálló módszere, bár tartalma természetesen a kísérletek és a természeti megfigyelések eredményeit figyelembe véve alakul ki.
Az elméleti fizika módszertana [1] abból áll, hogy kiemeli a kulcsfontosságú fizikai fogalmakat (például atom , tömeg , energia , entrópia , mező stb.), és matematikai nyelven fogalmazza meg azokat a természeti törvényeket, amelyek ezeket a fogalmakat összekapcsolják; a megfigyelt természeti jelenségek magyarázata a megfogalmazott természeti törvények alapján; új felfedezhető természeti jelenségek előrejelzése.
Közeli analógja a matematikai fizika , amely a fizikai modellek tulajdonságait tanulmányozza a szigorúság matematikai szintjén, de nem foglalkozik a fizikai fogalmak megválasztásával és a modellek valósággal való összehasonlításával (bár jól megjósolhat új jelenségeket).
Az elméleti fizika nem foglalkozik olyan kérdésekkel, mint „miért írja le a matematika a természetet?”. Posztulátumnak tekinti, hogy a természeti jelenségek matematikai leírása valamilyen oknál fogva rendkívül hatékony [2] , és tanulmányozza ennek a posztulátumnak a következményeit. Szigorúan véve az elméleti fizika nem magának a természetnek a tulajdonságait vizsgálja, hanem a javasolt elméleti modellek tulajdonságait. Ezenkívül az elméleti fizika gyakran „önmagukban” tanulmányoz egyes modelleket, konkrét természeti jelenségekre való hivatkozás nélkül.
Az elméleti fizika fő feladata azonban továbbra is a legáltalánosabb természeti törvények felfedezése és megértése, amelyek a fizikai jelenségek bármely területét szabályozzák, másodsorban pedig ezekre a törvényekre alapozva bizonyos fizikai rendszerek várható viselkedésének leírása valóság. Az elméleti fizika szinte sajátossága a többi természettudománytól eltérően a még ismeretlen fizikai jelenségek előrejelzése és a pontos mérési eredmények.
Az elméleti fizika termékei a fizikai elméletek . Mivel az elméleti fizika pontosan a matematikai modellekkel dolgozik, rendkívül fontos követelmény az elkészült fizikai elmélet matematikai következetessége. A második kötelező tulajdonság, amely megkülönbözteti az elméleti fizikát a matematikától, az a lehetőség, hogy az elméleten belül előrejelzéseket kapjunk a természet bizonyos körülmények közötti viselkedésére vonatkozóan (vagyis a kísérletekre vonatkozó előrejelzéseket), és azokban az esetekben, amikor a kísérlet eredménye már ismert, egyetértek a kísérlettel.
A fentiek lehetővé teszik számunkra, hogy felvázoljuk a fizikai elmélet általános szerkezetét. Tartalmaznia kell:
Ebből világossá válik, hogy az olyan állítások, mint „mi van, ha a relativitáselmélet rossz?” értelmetlen. A relativitáselmélet , mint fizikai elmélet, amely kielégíti a szükséges követelményeket, már helyes. Ha kiderül, hogy bizonyos előrejelzésekben nem egyezik a kísérlettel, akkor ez azt jelenti, hogy ezekben a jelenségekben nem alkalmazható a valóságra. Új elmélet után kell kutatni, és kiderülhet, hogy a relativitáselmélet az új elmélet néhány korlátozó esete lesz. Elméleti szempontból ebben nincs katasztrófa. Sőt, ma már azt gyanítják, hogy bizonyos feltételek mellett (a plancki nagyságrendű energiasűrűség mellett) a létező fizikai elméletek egyike sem lesz megfelelő.
Elvileg lehetséges az a helyzet, hogy ugyanarra a jelenségkörre több különböző fizikai elmélet vezet hasonló vagy egybeeső előrejelzésekhez. A tudománytörténet azt mutatja, hogy egy ilyen helyzet általában átmeneti: előbb-utóbb vagy az egyik elmélet megfelelőbbnek bizonyul, mint a másik [3] , vagy ezek az elméletek ekvivalensnek bizonyulnak (lásd alább a kvantummechanikával kapcsolatos példát). ).
Az alapvető fizikai elméletek általában nem a már ismert elméletekből származnak, hanem a semmiből épülnek fel. Egy ilyen konstrukció első lépése annak valódi „kitalálása”, hogy milyen matematikai modellt kell alapul venni. Gyakran kiderül, hogy egy elmélet felépítéséhez új (és általában bonyolultabb) matematikai apparátusra van szükség, ellentétben azzal, amit az elméleti fizikában korábban bárhol használtak. Ez nem szeszély, hanem szükségszerűség: általában olyan új fizikai elméletek születnek, ahol minden korábbi elmélet (vagyis a "szokásos" anyagon alapuló) megmutatta következetlenségét a természet leírásában. Néha kiderül, hogy a megfelelő matematikai apparátus nem tartozik a tiszta matematika fegyvertárába, és fel kell találni vagy javítani kell. Például Yu. A. Izyumov akadémikus és szerzőtársai kidolgozták a diagramtechnika saját változatát a spin operátorok leírására, valamint az erősen korrelált elektronikus rendszerek (az úgynevezett Hubbard X-operátorok) tanulmányozása során bevezetett operátorok számára. [4] .
Egy "jó" fizikai elmélet megalkotásakor a következő kritériumok lehetnek, de nem kötelező:
Az olyan kritériumok, mint a „ józan ész ” vagy a „mindennapi tapasztalat” nemcsak nem kívánatosak egy elmélet felépítése során, de már sikerült hitelteleníteni magukat: sok modern elmélet „ellentmondhat a józan észnek”, de sok nagyságrenddel pontosabban írja le a valóságot, mint "józan észen alapuló elméletek".
Fentebb találhatók az alapvető fizikai elméletek, de a fizika minden részében speciális elméleteket használnak, amelyeket a fizika alapvető törvényeinek általánossága, az elméleti és matematikai módszerek kapcsolnak össze. Így a kondenzált anyag fizika és a szilárdtestfizika a már ismert általánosabb elméleteken alapuló elméleti fejlesztések elágazó területei. Ugyanakkor az olyan területek, mint a klasszikus mechanika vagy a statisztikus fizika is tovább fejlődnek és fejlődnek, számos legnehezebb problémájukat csak a 20. században oldották meg.
S. V. Vonsovsky elméleti fizikus akadémikus szerint a 20. század óta az elméleti fizika megközelítéseit és módszereit egyre sikeresebben alkalmazzák más tudományokban is. Tehát a természettudományokban, ahol a tudományágak között nyilvánvalóbb, mint alapvető különbségek vannak, [5] bizonyos fajta egység jön létre, például a köztes tudományágak megjelenésével, mint a kémiai fizika, geofizika, biofizika stb. amely minden természettudományban átmenethez vezet.a leíró szakaszból a szigorúan kvantitatív szakaszba, az elméleti fizikában használt modern matematikai apparátus teljes erejét felhasználva. Ugyanezek a tendenciák a közelmúltban a társadalom- és a humántudományokban is megfigyelhetők: a gazdasági kibernetika tudományainak komplexuma alakult ki, ahol a matematikai modellek a legbonyolultabb matematikai apparátussal készülnek. És még a matematikától meglehetősen távoli tudományokban is, mint a történelem és a filológia, megvan a vágy a speciális matematikai megközelítések kidolgozására.