თეორიული ფიზიკა

ცოდნა სინათლეა - Knowledge is light - Знание свет -  

                       თეორიული ფიზიკა

დისკუსია École de Physique des Houches-ის მთავარ დარბაზში, 1972 წ. მარცხნიდან მარჯვნივ: იუვალ ნემანი, ბრაის დევიტი, კიპ თორნი.

ფიზიკის დარგი, რომელშიც ბუნების გაგების ძირითადი გზაა ფენომენების თეორიული (პირველ რიგში მათემატიკური) მოდელების შექმნა და მათი შედარება რეალობასთან. ამ ფორმულირებაში თეორიული ფიზიკა ბუნების შესწავლის დამოუკიდებელი მეთოდია, თუმცა მისი შინაარსი, ბუნებრივია, ყალიბდება ექსპერიმენტებისა და ბუნებაზე დაკვირვების შედეგების გათვალისწინებით.

თეორიული ფიზიკის მეთოდოლოგია შედგება ძირითადი ფიზიკური ცნებების (როგორიცაა ატომი, მასა, ენერგია, ენტროპია, ველი და ა.შ.) იდენტიფიცირება და მათემატიკური ენით ჩამოყალიბებული ბუნების კანონები, რომლებიც აკავშირებს ამ ცნებებს; დაკვირვებული ბუნებრივი მოვლენების ახსნა ბუნების ჩამოყალიბებულ კანონებზე დაყრდნობით; ახალი ბუნებრივი მოვლენების პროგნოზირება, რომლებიც შეიძლება აღმოჩნდეს.

ახლო ანალოგია მათემატიკური ფიზიკა, რომელიც სწავლობს ფიზიკური მოდელების თვისებებს მათემატიკური სიმკაცრის დონეზე, მაგრამ არ ეხება ფიზიკური ცნებების შერჩევას და მოდელების რეალობასთან შედარებას (თუმცა მას შეუძლია ახალი ფენომენების პროგნოზირება).

იხ. ვიდეო - Theoretical Physicist Brian Greene Explains Time in 5 Levels of Difficulty | WIRED - Time: the most familiar, and most mysterious quality of the physical universe. Theoretical physicist Brian Greene, PhD, has been challenged to explain the nature of time to 5 different people; a child, a teen, a college student, a grad student, and an expert. 

Director: Maya Dangerfield

Producer: Wendi Jonassen

Field Producer: Katherine Wzorek

Director of Photography: Charlie Jordan

Editor: Shandor Garrison

Host: Brian Greene

Level 1: Kayla Martini

Level 2: Maria Guseva

Level 3: Zain Kamal

Level 4: Alexander Novara

Level 5: Massimo Porrati

Line Producer: Joseph Buscemi 

Associate Producer: Paul Gulyas

Production Manager: Eric Martinez   

Production Coordinator: Fernando Davila

Casting Producer: Nick Sawyer

Camera Operator: Britney Berger

Gaffer: Gautam Kadian

Audio: Brett Van Deusen

Production Assistant: Nicole Gaitan

Hair/Makeup Artist: Yev Write-Mason 

Post Production Supervisor: Alexa Deutsch 

Post Production Coordinator: Ian Bryant  

Supervising Editor: Doug Larsen

Assistant Editor: Andy Morell

თავისებურებები

თეორიული ფიზიკა არ განიხილავს კითხვებს, როგორიცაა "რატომ უნდა აღწეროს მათემატიკა ბუნება?" პოსტულატად იღებს იმას, რომ რატომღაც ბუნებრივი მოვლენების მათემატიკური აღწერა უაღრესად ეფექტური აღმოჩნდება და სწავლობს ამ პოსტულატის შედეგებს. მკაცრად რომ ვთქვათ, თეორიული ფიზიკა სწავლობს არა თავად ბუნების თვისებებს, არამედ შემოთავაზებული თეორიული მოდელების თვისებებს. გარდა ამისა, თეორიული ფიზიკა ხშირად სწავლობს ნებისმიერ მოდელს "თავისთავად", კონკრეტული ბუნებრივი მოვლენების მითითების გარეშე.

თუმცა, თეორიული ფიზიკის მთავარ ამოცანად რჩება ბუნების ყველაზე ზოგადი კანონების აღმოჩენა და გაგება, რომლებიც მართავს ფიზიკური ფენომენების ნებისმიერ სფეროს, და მეორეც, ამ კანონებზე დაყრდნობით, გარკვეული ფიზიკური სისტემების მოსალოდნელი ქცევის აღწერა. რეალობა. თეორიული ფიზიკის თითქმის სპეციფიკური მახასიათებელი, სხვა საბუნებისმეტყველო მეცნიერებებისგან განსხვავებით, არის ჯერ კიდევ უცნობი ფიზიკური ფენომენების წინასწარმეტყველება და ზუსტი გაზომვის შედეგები.

ფიზიკური თეორია

თეორიული ფიზიკის პროდუქტი არის ფიზიკური თეორიები. ვინაიდან თეორიული ფიზიკა კონკრეტულად მუშაობს მათემატიკურ მოდელებთან, უკიდურესად მნიშვნელოვანი მოთხოვნაა დასრულებული ფიზიკური თეორიის მათემატიკური თანმიმდევრულობა. მეორე სავალდებულო თვისება, რომელიც განასხვავებს თეორიულ ფიზიკას მათემატიკისგან, არის უნარი მოიპოვოს პროგნოზები თეორიის ფარგლებში ბუნების ქცევის გარკვეულ პირობებში (ანუ პროგნოზები ექსპერიმენტებისთვის) და იმ შემთხვევებში, როდესაც ექსპერიმენტის შედეგი უკვე ცნობილია, ეთანხმებით ექსპერიმენტს.

ზემოაღნიშნული საშუალებას გვაძლევს გამოვკვეთოთ ფიზიკური თეორიის ზოგადი სტრუქტურა. ის უნდა შეიცავდეს:

ფენომენების დიაპაზონის აღწერა, რომლებისთვისაც აგებულია მათემატიკური მოდელი,

მათემატიკური მოდელის განმსაზღვრელი აქსიომები,

აქსიომები, რომლებიც აკავშირებს (ზოგიერთს მაინც) მათემატიკურ ობიექტებს დაკვირვებად ფიზიკურ ობიექტებთან,

მათემატიკური აქსიომების და მათი რეალური ეკვივალენტების უშუალო შედეგები, რომლებიც ინტერპრეტირებულია, როგორც თეორიის პროგნოზები.

აქედან ირკვევა, რომ განცხადებები, როგორიცაა "რა მოხდება, თუ ფარდობითობის თეორია არასწორია?" უაზროა. ფარდობითობის თეორია, როგორც ფიზიკური თეორია, რომელიც აკმაყოფილებს აუცილებელ მოთხოვნებს, უკვე სწორია. თუ აღმოჩნდება, რომ ის არ ეთანხმება ექსპერიმენტს ზოგიერთ პროგნოზში, მაშინ ეს ნიშნავს, რომ იგი არ გამოიყენება რეალობასთან ამ ფენომენებში. საჭირო იქნება ახალი თეორიის ძიება და შეიძლება აღმოჩნდეს, რომ ფარდობითობის თეორია აღმოჩნდეს ამ ახალი თეორიის ერთგვარი შემზღუდველი შემთხვევა. თეორიული თვალსაზრისით, ეს არ არის კატასტროფა. უფრო მეტიც, ახლა არსებობს ეჭვი, რომ გარკვეულ პირობებში (ენერგეტიკული სიმკვრივის პირობებში, პლანკის რიგითით) არცერთი არსებული ფიზიკური თეორია არ იქნება ადეკვატური.

შვარცშილდის ჭიის ხვრელის ვიზუალური წარმოდგენა. ჭიის ხვრელები არასოდეს ყოფილა შემჩნეული, მაგრამ მათ არსებობის შესახებ ვარაუდობენ მათემატიკური მოდელებისა და სამეცნიერო თეორიის მეშვეობით.

პრინციპში, შესაძლებელია სიტუაცია, როდესაც ფენომენების ერთი და იგივე დიაპაზონისთვის არსებობს რამდენიმე განსხვავებული ფიზიკური თეორია, რომელიც იწვევს მსგავს ან დამთხვევის პროგნოზებს. მეცნიერების ისტორია გვიჩვენებს, რომ ასეთი ვითარება, როგორც წესი, დროებითია: ადრე თუ გვიან, ან ერთი თეორია აღმოჩნდება უფრო ადეკვატური, ვიდრე მეორე , ან ნაჩვენებია, რომ ეს თეორიები ექვივალენტურია (იხ. მაგალითი კვანტური მექანიკის ქვემოთ). .

ფიზიკური თეორიების აგება

ფუნდამენტური ფიზიკური თეორიები, როგორც წესი, არ არის მიღებული უკვე ცნობილიდან, არამედ აგებულია ნულიდან. ასეთი კონსტრუქციის პირველი ნაბიჯი არის რეალური „გამოცნობა“, თუ რომელი მათემატიკური მოდელი უნდა იქნას მიღებული საფუძვლად. ხშირად ირკვევა, რომ თეორიის ასაშენებლად საჭიროა ახალი (და ჩვეულებრივ უფრო რთული) მათემატიკური აპარატი, განსხვავებით თეორიულ ფიზიკაში გამოყენებული სხვაგან. ეს არ არის ახირება, არამედ აუცილებლობა: ჩვეულებრივ, ახალი ფიზიკური თეორიები იქმნება, სადაც ყველა წინა თეორიამ (ანუ „ჩვეულებრივ“ აპარატურაზე დაფუძნებული თეორიები) აჩვენა თავისი შეუსაბამობა ბუნების აღწერისას. ზოგჯერ აღმოჩნდება, რომ შესაბამისი მათემატიკური აპარატურა არ არის ხელმისაწვდომი წმინდა მათემატიკის არსენალში და ის უნდა გამოიგონოს ან შეცვალოს. მაგალითად, აკადემიკოსმა იუ.

დამატებითი, მაგრამ სურვილისამებრ, "კარგი" ფიზიკური თეორიის აგებისას შეიძლება შემდეგი კრიტერიუმები იყოს:

"მათემატიკური სილამაზე";

„ოკამის რაზორი“, ისევე როგორც მრავალი სისტემისადმი მიდგომის ზოგადობა;

არა მხოლოდ არსებული მონაცემების აღწერის, არამედ ახლის პროგნოზირების უნარი;

ნებისმიერ უკვე ცნობილ თეორიად დაყვანის შესაძლებლობა მათი გამოყენების ზოგად სფეროებში (კორესპონდენციის პრინციპი);

თეორიის ფარგლებში მისი გამოყენების ფარგლების გარკვევის უნარი. მაგალითად, კლასიკურმა მექანიკამ "არ იცის" მისი გამოყენების საზღვრები, მაგრამ თერმოდინამიკამ "იცის" სად შეიძლება და არ შეიძლება გამოიყენოს.

კრიტერიუმები, როგორიცაა „საღი აზრი“ ან „ყოველდღიური გამოცდილება“ არა მხოლოდ არასასურველია თეორიის აგებისას, არამედ უკვე მოახერხეს საკუთარი თავის დისკრედიტაცია: ბევრი თანამედროვე თეორია შეიძლება „ეწინააღმდეგებოდეს საღ აზრს“, მაგრამ ისინი უფრო ზუსტად აღწერენ რეალობას.

"თეორიები, რომლებიც დაფუძნებულია საღ აზრზე."

მათემატიკასა და ფიზიკას შორის ურთიერთობა

ფიზიკური თეორიების მაგალითები

კლასიკური მექანიკა. სწორედ კლასიკური მექანიკის აგების დროს დადგა ნიუტონს წარმოებულებისა და ინტეგრალების შემოღების აუცილებლობა, ანუ შექმნა დიფერენციალური და ინტეგრალური გამოთვლები.

სტატისტიკური ფიზიკა. თავდაპირველად, ფიზიკური ნაწილი მთლიანად დაფუძნებული იყო კლასიკურ მექანიკაზე, თერმოდინამიკისა და ქიმიის მონაცემების გათვალისწინებით, მათემატიკური მოდელების ძლიერი განვითარებით. დღესდღეობით ის არის შედედებული მატერიის ფიზიკის საფუძველი.

კლასიკური ელექტროდინამიკა. მაქსველის განტოლებები ეწინააღმდეგებოდა კლასიკურ მექანიკას, მაგრამ ეს წინააღმდეგობა, როგორც მოგვიანებით გაირკვა, არ ნიშნავდა, რომ ორი თეორიიდან ერთ-ერთი არასწორი იყო. მათი გამოყენებადობის ფარგლებში, ორივე თეორია ძალიან ზუსტად აღწერს რეალობას (მაგალითად, კლასიკური მექანიკა - პლანეტებისა და თანამგზავრების მოძრაობა).

ფარდობითობის სპეციალური თეორია, რევოლუციური თეორია, რომელმაც შეცვალა ჩვეულებრივი იდეები სივრცისა და დროის შესახებ.

ფარდობითობის ზოგადი თეორია, რომლის ფორმულირებაშიც ვარაუდობენ, რომ ცარიელ სივრცეს ასევე აქვს გარკვეული არატრივიალური გეომეტრიული თვისებები და მისი აღწერა შესაძლებელია დიფერენციალური გეომეტრიის მეთოდებით.

Კვანტური მექანიკა. მას შემდეგ, რაც კლასიკურმა ფიზიკამ ვერ შეძლო კვანტური ფენომენების აღწერა, გაკეთდა მცდელობები გადაეფორმებინათ მიკროსკოპული სისტემების ევოლუციის აღწერის მიდგომა. ამას მიაღწია შროდინგერმა, რომელმაც დაადგინა, რომ თითოეული ნაწილაკი ასოცირდება ახალ ობიექტთან - ტალღურ ფუნქციასთან, ასევე ჰაიზენბერგმა, რომელმაც (ჯონ ვილერისგან დამოუკიდებლად, რომელმაც ეს გააკეთა 1937 წელს) შემოიღო გაფანტული მატრიცის არსებობა. თუმცა, კვანტური მექანიკის ყველაზე წარმატებული მათემატიკური მოდელი აღმოაჩინა ფონ ნეუმანმა (ჰილბერტის სივრცეების თეორია და მათში მოქმედი ოპერატორები) და აჩვენა, რომ შროდინგერის ტალღური მექანიკა და ჰაიზენბერგის მატრიცის მექანიკა ამ თეორიის მხოლოდ ვარიანტებია (სხვადასხვა წარმოდგენები). დირაკის განტოლებამ, რომელიც ჩამოყალიბდა როგორც კვანტური მექანიკის რელატივისტური განზოგადება, გამოიწვია ანტინაწილაკების წინასწარმეტყველება.

ველის კვანტური თეორია. ფიზიკური თეორიების განვითარების ლოგიკური ეტაპია კვანტური ველების რელატივისტური თეორია. ამ მიმართულებით წარმატება იყო კვანტური ელექტროდინამიკის შექმნა. 60-იან წლებში ვაინბერგმა, სალამმა და გლაშომ შექმნეს სუსტი და ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედების ერთიანი თეორია, რომელიც იწინასწარმეტყველა ნეიტრალური დენებისა და ვექტორული ბოზონების არსებობა.

ამჟამად, მუშაობის ერთ-ერთი სფეროა სიმების თეორია, რომელიც აერთიანებს ყველა ცნობილ ურთიერთქმედებას. მისი სრული ფიზიკური თეორიის სახით ჩამოყალიბება ჯერ კიდევ არ არის შესაძლებელი.

ზემოთ მოცემულია ფუნდამენტური ფიზიკური თეორიები, მაგრამ ფიზიკის თითოეულ ნაწილში გამოიყენება სპეციალიზებული თეორიები, რომლებიც ერთმანეთთან არის დაკავშირებული ფიზიკის ფუნდამენტური კანონების, თეორიული და მათემატიკური მეთოდების ერთობლიობით. ამრიგად, შედედებული მატერიის ფიზიკა და მყარი მდგომარეობის ფიზიკა არის თეორიული განვითარების განშტოებული სფეროები, რომლებიც დაფუძნებულია უკვე ცნობილ უფრო ზოგად თეორიებზე. ამავდროულად, ისეთი დარგები, როგორიცაა კლასიკური მექანიკა ან სტატისტიკური ფიზიკა, ასევე განაგრძობენ განვითარებას და ზრდას; მათი რიგი ყველაზე რთული პრობლემები მხოლოდ მე-20 საუკუნეში მოგვარდა.თეორიული ფიზიკის მეთოდები სხვა მეცნიერებებში

თეორიული ფიზიკოსის, აკადემიკოს S.V. Vonsovsky-ის აზრით, მე-20 საუკუნიდან თეორიული ფიზიკის მიდგომები და მეთოდები სულ უფრო წარმატებით გამოიყენება სხვა მეცნიერებებში. ამრიგად, საბუნებისმეტყველო მეცნიერებებში, სადაც დისციპლინებს შორის უფრო აშკარა, ვიდრე ფუნდამენტური განსხვავებებია,  მყარდება გარკვეული სახის ერთიანობა, მაგალითად, შუალედური დისციპლინების გაჩენის გზით, როგორიცაა ქიმიური ფიზიკა, გეოფიზიკა, ბიოფიზიკა და ა.შ. რაც იწვევს მთელ საბუნებისმეტყველო მეცნიერებაში გადასვლას აღწერითი ეტაპიდან მკაცრად რაოდენობრივზე თეორიულ ფიზიკაში გამოყენებული თანამედროვე მათემატიკური აპარატის სრული ძალის გამოყენებით. იგივე ტენდენციები შეიმჩნევა ბოლო დროს სოციალურ და ჰუმანიტარულ მეცნიერებებში: გაჩნდა მეცნიერებათა კომპლექსი ეკონომიკურ კიბერნეტიკაში, სადაც რთული მათემატიკური აპარატის გამოყენებით იქმნება მათემატიკური მოდელები. და თუნდაც მათემატიკისგან სრულიად დაშორებულ მეცნიერებებში, როგორიცაა ისტორია და ფილოლოგია, არსებობს სპეციალური მათემატიკური მიდგომების შემუშავების სურვილი.