зачем нужна теоретическая физика
Теоретическая физика
Теорети́ческая фи́зика — раздел физики, в котором в качестве основного способа познания природы используется создание математических моделей явлений и сопоставление их с реальностью. В такой формулировке теоретическая физика является самостоятельным методом изучения природы. Однако область её интересов, естественно, формируется с учётом результатов экспериментов и наблюдений за природой. Близким аналогом является математическая физика, которая исследует свойства этих математических моделей на математическом уровне строгости, однако не занимается вопросами сопоставления их с реальностью.
Содержание
Особенности
Физическая теория
Продуктом теоретической физики являются физические теории. Поскольку теоретическая физика работает именно с математическими моделями, крайне важным требованием является математическая непротиворечивость завершенной физической теории. Вторым обязательным свойством, отличающим теоретическую физику от математики, является возможность получать внутри теории предсказания для поведения Природы в тех или иных условиях (то есть предсказания для экспериментов) и, в тех случаях, где результат эксперимента уже известен, давать согласие с экспериментом.
Сказанное выше позволяет обрисовать общую структуру физической теории. Она должна содержать:
Из этого становится ясно, что утверждения типа «а вдруг теория относительности неверна?» бессмысленны. Теория относительности, как физическая теория, удовлетворяющая нужным требованиям, уже верна. Если же окажется, что она не сходится с экспериментом в каких-то предсказаниях, то значит, она в этих явлениях не применима к реальности. Потребуется поиск новой теории, и может статься, что теория относительности окажется каким-то предельным случаем этой новой теории. С точки зрения теории, катастрофы в этом нет. Более того, сейчас подозревается, что в определённых условиях (при плотности энергии порядка планковской) ни одна из существующих физических теорий не будет адекватной.
В принципе, возможна ситуация, когда для одного и того же круга явлений существуют несколько разных физических теорий, приводящих к похожим или совпадающим предсказаниям. История науки показывает, что такая ситуация обычно временна: рано или поздно либо одна теория оказывается более адекватна, чем другая, либо показывается, что эти теории эквивалентны (см. ниже пример с квантовой механикой).
Построение физических теорий
Дополнительными, но необязательными, при построении «хорошей» физической теории могут являться следующие критерии:
Такие критерии, как «здравый смысл» или «повседневный опыт», не только нежелательны при построении теории, но и уже успели дискредитировать себя: многие современные теории могут «противоречить здравому смыслу», однако реальность они описывают на много порядков точнее, чем «теории, основанные на здравом смысле».
Примеры физических теорий
Методы теоретической физики в других науках
По мнению физика-теоретика академика С. В. Вонсовского, начиная с XX века подходы и методы теоретической физики всё чаще успешно используются в других науках. Так в естественных науках, где между дисциплинами существуют скорее кажущиеся, чем принципиальные различия, [3] устанавливается некое своеобразное единство, например, путем возникновения промежуточных дисциплин, таких как химическая физика, геофизика, биофизика и др., что приводит к переходу во всем естествознании от описательного этапа к строго количественному с использованием всей мощи современного математического аппарата, используемого в теоретической физике. Те же тенденции наблюдаются в последнее время и в социальных и гуманитарных науках: возник комплекс наук по экономической кибернетике, где создаются математические модели с использованием сложнейшего математического аппарата. И даже в совсем далеких от математики науках, таких как история и филология, наблюдается стремление к разработке специальных математических подходов.
Научный форум dxdy
Математика, Физика, Computer Science, Machine Learning, LaTeX, Механика и Техника, Химия,
Биология и Медицина, Экономика и Финансовая Математика, Гуманитарные науки
 |
| Заслуженный участник |
|
Последний раз редактировалось arseniiv 26.02.2018, 20:57, всего редактировалось 1 раз.
| Экс-модератор |
 |
Последний раз редактировалось photon 26.02.2018, 21:07, всего редактировалось 1 раз.
| Заслуженный участник |
 |
|
По-моему главная роль теоретической физики в том, что она позволяет лучше понять явление (процесс, технологию), это способствует его более эффективному использованию в жизнедеятельности. Также помогает находить обобщения.
В некотором смысле топик-стартер тоже прав: эмпирические исследования и развитые технологии порой чаще приносят заметные результаты, если руководят ими умелые люди.
| Супермодератор |
 |
| Заслуженный участник |
 |
| Заслуженный участник |
|
| Заслуженный участник |
|
 |
 |
Последний раз редактировалось fred1996 28.02.2018, 00:05, всего редактировалось 1 раз.
| Заслуженный участник |
 |
| Заслуженный участник |
 |
Думаю, что ее не видел почти никто, рожденный после 2000. А 9/10 не подозревают о ее существовании.
Половина студентов уверена, что до того, как появились компьютеры, расчеты делали на микрокалькуляторах 🙂
| Заслуженный участник |
|
Последний раз редактировалось Cos(x-pi/2) 01.03.2018, 19:31, всего редактировалось 2 раз(а).
(Жаль, фото не очень резкое вышло, да и движок линейки нечаянно слегка сдвинулся, пока я её фотографировл 
. Но при усердии, хорошем зрении и с должной тренировкой можно было аж три верных знака получать даже в длинных подсчётах, со многими умножениями и делениями).
Линейка всегда должна была быть под рукой. У моего шефа она всегда была на рабочем столе (настоящем, не на экране компьютера): с почти совсем стёршимися делениями, обгорелая, пожелтевшая, почерневшая. Шеф всё время курил, и хабарики клал на линейку. Особенно много их скапливалось на линейке, когда у него начинался мозговой штурм. (При этом я свою линейку старался убрать подальше с его глаз долой, поэтому она у меня и сохранилась неплохо).
Теоретическая физика
Теорети́ческая фи́зика — способ познания природы, при котором определённый круг природных явлений выражается при помощи только в виде математической модели. Данный способ при решении основополагающих законов физики не использует «опыт», эксперимент, а является изолированным методом изучения природы. В любом случае основные объективные законы и явления в природе формируются и принимаются в результате наблюдений и экспериментально доказанных. [1]
Теоретическая физика не рассматривает вопросы вида «почему математика должна описывать Природу?». Она принимает за постулат то, что, в силу неких причин, математическое описание природных явлений оказывается крайне эффективным, и изучает последствия этого постулата. Строго говоря, теоретическая физика изучает не свойства самой Природы, а свойства предлагаемых математических моделей. Поэтому вопросы вида «кто навязал Природе постоянство скорости света» тоже выходят за её рамки. Кроме того, часто теоретическая физика изучает какие-либо модели «сами по себе», без привязки к конкретным природным явлениям.
Содержание
Физическая теория
Продуктом теоретической физики являются физические теории. Поскольку теоретическая физика работает именно с математическими моделями, крайне важным требованием является математическая непротиворечивость завершенной физической теории. Вторым обязательным свойством, отличающим теоретическую физику от математики, является возможность получать внутри теории предсказания для поведения Природы в тех или иных условиях (т.е. предсказания для экспериментов) и, в тех случаях, где результат эксперимента уже известен, давать согласие с экспериментом.
Сказанное выше позволяет обрисовать общую структуру физической теории. Она должна содержать:
Из этого становится ясно, что утверждения типа «а вдруг теория относительности неверна?» бессмысленны. Теория относительности, как физическая теория, удовлетворяющая нужным требованиям, уже верна. Если же окажется, что она не сходится с экспериментом в каких-то предсказаниях, то значит, она в этих явлениях не применима к реальности. Потребуется поиск новой теории, и может статься, что теория относительности окажется каким-то предельным случаем этой новой теории. С точки зрения теории, катастрофы в этом нет. Более того, сейчас подозревается, что в определённых условиях (при плотности энергии порядка планковской) ни одна из существующих физических теорий не будет адекватной.
В принципе, возможна ситуация, когда для одного и того же круга явлений существуют несколько разных физических теорий, приводящих к похожим или совпадающим предсказаниям. История науки показывает, что такая ситуация обычно временна: рано или поздно либо одна теория оказывается более адекватна, чем другая, либо показывается, что эти теории эквивалентны (см. ниже пример с квантовой механикой).
Построение физических теорий
Фундаментальные физические теории, как правило, не выводятся из уже известных, а строятся с нуля. Первый шаг в таком построении — это самое настоящее «угадывание» того, какую математическую модель следует взять за основу. Часто оказывается, что для построения теории требуется новый (причем, обычно более сложный) математический аппарат, непохожий на тот, что использовался в теорфизике где-либо ранее. Это — не прихоть, а необходимость: обычно новые физические теории строятся там, где все предыдущие теории (т.е. основанные на «привычном» матаппарате) показали свою несостоятельность в описании Природы. Иногда оказывается, что соответствующий матаппарат отсутствует в арсенале чистой математики, и его приходится изобретать.
Дополнительными, но необязательными, критериями при построении «хорошей» теории могут являться понятия
Такие критерии, как « здравый смысл » или «повседневный опыт», не только нежелательны при построении теории, но и уже успели дискредитировать себя: многие современные теории могут «противоречить здравому смыслу», однако реальность они описывают на много порядков точнее, чем «теории, основанные на здравом смысле».
Что интересного происходит в науке
Страницы
13 мая 2009 г.
Практическая польза от теоретической физики элементарных частиц
Хорошо, отвечу, а точнее, снова повторю, но на этот раз с новым примером из свежего выпуска Nature Physics.
Сначала базовое утверждение (тем, кто серьезно не изучал теорфизику, придется в него поверить): математические описания совершенно разных явлений из совершенно разных областей физики бывают очень схожими. Поэтому если мы разовьем это математическое описание в каком-то одном разделе физики (просто потому, что там было больше свободы в экспериментировании и быстро вырисовывалась теория), мы сможем пользоваться им в других разделах физики.
И я хочу подчеркнуть вот что. Эти параллели не есть что-то исключительно редкое. Если следить за свежими публикациями в PRL, в архиве и т.д., то такие связи возникают довольно регулярно.
Вот на закуску конкретный пример из самого свежего Nature Physics: статья с заголовком «Observation of a large-gap topological-insulator class with a single Dirac cone on the surface». Вот первая половина аннотации:
Жирным я выделил то, на что надо обратить внимание в свете нашего обсуждения.
Если совсем простыми словами, то вот: гипотетическая частица (аксион), которую физики придумали когда-то давно для изучения процессов сугубо из мира элементарных частиц, оказалась самым удобным математическим инструментом для описания электронных состояний в изоляторе нового типа с многообещающими (в практическом плане!) свойствами.
Зачем нужна теоретическая физика
Существуют два типа физиков — экспериментаторы и теоретики. Эти две профессии почти никогда не совмещаются в одном лице. Физики-экспериментаторы исследуют соотношения между физическими величинами, или, говоря более торжественно, открывают законы природы, пользуясь экспериментальными установками, т. е. измеряя физические величины с помощью приборов. Для того чтобы знать, как и что измерять, надо глубоко понимать связи между изучаемыми явлениями.
Физики-теоретики изучают природу, пользуясь только бумагой и карандашом, иначе говоря, выводят математически новые соотношения между наблюдаемыми величинами, опираясь на найденные ранее экспериментально и теооетически законы природы.
Причина разделения этих двух профессий не только в том, что каждая из них требует своих специальных знаний — знаний методов измерения — в одном случае и владения математическим аппаратом — в другом. Главная причина разделения в том, что эти профессии требуют разных типов мышления и разных форм интуиции. Между тем интуиция, т. е. способность подсознательно находить правильный путь, играет важнейшую роль, особенно на первых стадиях работы. Поскольку теоретическая физика имеет дело с более отвлеченными понятиями, чем физика экспериментальная, физику-теоретику требуется более абстрактная форма интуиции, близкая иногда к интуиции математика.
В прошлом веке, когда физика не была еще так специализирована, многие физики совмещали обе профессии. Так, Дж. Максвелл, который получил теоретически удивительные уравнения, объединившие электричество, магнетизм и оптику, занимался и экспериментальными работами.
Г. Герц, обнаруживший экспериментально электромагнитные волны, был одновременно и хорошим теоретиком. И все-таки в каждом случае можно указать, какая из профессий главная: для Максвелла это теоретическая физика, а для Герца — физика экспериментальная.
Великим физиком-теоретиком был А. Эйнштейн. Пользуясь только бумагой и карандашом, он создал теорию относительности, согласно которой время течет по-разному в неподвижной системе и в системе, равномерно движущейся относительно наблюдателя. Как показали эксперименты последних десятилетий, быстро движущиеся нестабильные частицы (например, пи-мезоны или мюоны) распадаются медленнее, чем неподвижные, в точном соответствии с формулой, полученной Эйнштейном. При скорости, приближающейся к скорости света, время жизни частицы неограниченно возрастает.
Замечательный итальянский физик Э. Ферми наряду со многими другими теоретическими работами создал теорию радиоактивного распада (см. Радиоактивность) и вместе с физиками своей группы открыл экспериментально, что почти все химические элементы делаются радиоактивными при бомбардировке нейтронами. Но и в этом случае можно указать главную профессию — это теоретическая физика.
Прекрасным теоретиком, тесно связанным с экспериментом, был советский академик Г. И. Будкер, у которого теоретическая физика совмещалась с замечательными инженерными идеями. Он теоретически разработал ускоритель на встречных пучках заряженных частиц и руководил его созданием в Новосибирском академгородке. В таком ускорителе вся энергия идет на рождение частиц, тогда как при столкновении энергичной частицы с неподвижной мишенью на рождение новых частиц идет только малая доля энергии.
Стиль и способ подхода к решению задач различны у разных физиков-теоретиков. Есть теоретики, для которых несущественно, каким способом получен результат, лишь бы цель была достигнута. Но есть и такие, которые любят методику теоретической работы и добиваются того, чтобы результат был получен не искусственным путем, а методом, наиболее соответствующим задаче.
Этим достигается более глубокое понимание, а следовательно, и большая достоверность результатов. Существуют абстрактные физики-теоретики, решающие задачи, не связанные непосредственно с опытом; и физики-теоретики, работающие в тесном контакте с экспериментаторами. Для таких теоретиков заметную часть работы составляет теоретический анализ эксперимента, уже сделанного или предполагаемого. Наряду с теоретиками, предпочитающими строгий математический подход, к сожалению редко возможный при анализе реальных явлений (см. Физика и математика), существуют физики, для которых важнее подход качественный, когда результаты получаются сначала на упрощенных моделях и по возможности наглядно.
Среди физиков нашей страны наиболее ярким примером теоретика, сочетавшего глубокое качественное понимание явлений с виртуозным математическим аппаратом, был Л. Д. Ландау. В. А. Фок добивался максимально строгой постановки вопроса. Он получил важнейшие результаты в квантовой теории, решая задачи, допускающие строгую математическую формулировку. И. Е. Тамм сочетал различные стили: иногда это были работы по изучению приближенных моделей явления, а иногда, как и у Л. Д. Ландау, исследования сложной физической задачи приближенными методами. Н. Н. Боголюбов представляет собой редкий пример сочетания двух профессий — математика и теоретического физика. Для него характерно строгое исследование сознательно упрощенных моделей явления.
И. Я. Померанчук ставил своей целью находить такие вопросы и строить теорию таких явлений, которые вскрывают самые глубинные свойства физического мира. Поэтому его работы всегда оказывались на переднем крае науки. Большое влияние на развитие многих областей теоретической физики оказал замечательный физик Я. И. Френкель. Ему принадлежит громадное число физических идей, которые он выдвигал, не стремясь довести работу до конца, ограничиваясь качественным рассмотрением задач.
Теоретическая физика как отдельная наука началась с И. Ньютона, который превратил идею всемирного тяготения в физическую теорию, подтвержденную опытом. Надо было объяснить, почему планеты движутся по эллипсам с фокусом в месте нахождения Солнца и почему кубы радиусов орбит пропорциональны квадратам периодов обращения. Ньютон доказал, что это следует из предположения, что между двумя массами действует сила, пропорциональная произведению масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между телами. Но и после введения силы тяготения нужно было преодолеть колоссальные по тому времени математические трудности, чтобы получить количественное объяснение движения планет с учетом возмущений, вызванных влиянием соседних небесных тел. Ньютон вычислил возмущения движения Луны под влиянием Солнца и построил теорию приливов, которые он объяснил лунным притяжением.
Наконец, перечислим главные направления развития теоретической физики.
Это, прежде всего, получение количественных соотношений между наблюдаемыми величинами. Так, например, пользуясь законами движения электронов в металле, теоретики рассчитали кривую зависимости электрического сопротивления от температуры и объяснили природу сверхпроводимости.
Другое направление — это создание адекватных методов математического описания законов природы. Сюда входят использование и развитие тех методов математики, которые позволяют выявить свойства симметрии законов природы. Количественное завершение идей общей теории относительности (теории тяготения) стало возможным только в результате применения методов описания величин в пространстве с геометрическими свойствами, изменяющимися от точки к точке. Для многих задач теоретической физики наиболее подходящий способ — решение их с помощью электронных вычислительных машин.
И наконец, самое главное направление — это отыскание тех общих принципов, которые лежат в основе законов природы, таких, как причинность, свойства симметрии, законы сохранения. Квантовая механика обобщила понимание причинности классической физики: теория относительности основывается на симметрии пространства-времени; теория элементарных частиц покоится на «внутренней» симметрии явлений.
Итак, теоретическая физика намечает пути к пониманию единства, симметрии и динамики явлений природы, т. е. пути к пониманию красоты Вселенной.
Однако любые теоретические построения делаются научной истиной, только если они подтверждаются экспериментом и дальнейшим развитием теории. Подтверждение или опровержение теоретических предсказаний на опыте входит в задачу экспериментальной физики.
Молодой человек, интересующийся физикой, должен как можно раньше решить для себя, какую из двух профессий — теоретическую или экспериментальную — он выбирает.