Теоретична фізика
Теорети́чна фі́зика — один із двох розділів фізики (другий — експериментальна фізика), який пояснює явища природи математичними методами й несуперечливими раціональними або інтуїтивними міркуваннями, розроблює якісні та кількісні моделі фізичних реалій, передбачає нові явища та пропонує способи їх спостереження.
Результатами теоретичної фізики є знання про зв’язки між вимірюваними в різноманітних експериментах фізичними величинами (атрибутами досліджуваних явищ) та їхніми розрахованими кількісними значеннями.
Зміст
Історична довідка
Зародки теоретичної фізики на базі чуттєвих спостережень та спроб їхнього раціонального осмислення існували ще в античному світі, зокрема в натурфілософському вченні та фізиці Аристотеля (384–322 до н.е.).
Фізика остаточно розділилася на експериментальну і теоретичну наприкінці 19 — на початку 20 ст.
У 19 ст. Дж. Максвелл створив теорію електромагнітного поля, яка включала теорію світла. Він, а також Л. Больцман та Дж. Джібс розробили статистичну фізику, котра спочатку була застосована до газів, а згодом до рідин і твердих тіл. Кінетична теорія, як складник статистичної фізики, описала еволюцію систем у часі та ефекти незворотності. А з спроб пояснити рівноважний розподіл енергії в спектрі абсолютно чорного тіла у 1900 виникли уявлення про дискретність енергії випромінювання і кванті дії, що було першим зародком квантової теорії М. Планк.
У першій третині 20 ст. сформувалися:
- спеціальна й загальна теорії відносності, котрі змінили попередні погляди на незалежні час і простір — об’єднали їх в єдиний 4-вимірний часопростір: А. Айнштайн, Г. Мінковський (1864–1909);
- квантова механіка, котра радикально змінила класичні уявлення про поведінку частинок атомного (порядку 10-10 м) і меншого розміру: Н. Бор, Е. Шрьодінгер, В. Гайзенберг, Пол Дірак (1902–1984). Відтак постала квантова теорія речовини та електромагнітного поля.
Класичний поділ матеріальних об’єктів на хвилі й частинки є умовним. За різних обставин можуть переважати ті чи ті — частинкові або хвильові — властивості (т. зв. частинково-хвильовий дуалізм). Результати вимірювання їхніх властивостей і динаміка самих мікроскопічних частинок носять імовірнісний характер.
Поступово виокремилася у самостійний розділ математична фізика, яка вивчає на математичному рівні строгості функції, рівняння й методи, необхідні для розв’язку задач теоретичної фізики. Натомість у 20 та 21 ст. теоретична фізика сприйняла та застосувала для власних потреб нові для себе розділи математики, як-то теорію фрактального числення, теорію нелінійних рівнянь, теорію квантових груп, теорію суперсиметричних просторів або топологію. Значний прогрес у цей час відбувся завдяки впровадженню в теоретичну фізику трудомістких обчислювальних методів і потужної обчислювальної техніки, внаслідок чого відбулася певна переакцентація на користь чисельних методів за рахунок традиційних аналітичних.
У другій половині 20 ст. об’єднано слабку та електромагнітні види взаємодій і створено теорію сильних взаємодій елементарних частинок – квантову хромодинаміку (стандартна модель — теорія кварків та лептонів як істинно елементарних об’єктів). Пов’язати модель цих сил із теорією гравітаційних сил (класичним варіантом якої є загальна теорія відносності) досі не вдалося (інтенсивні пошуки не припиняються).
Значного розвитку досягла теорія нелінійних явищ взагалі і таких явищ за умов, далеких від рівноваги, зокрема (її часто називають синергетикою). Утворення неоднорідних у часі та просторі матеріальних структур у системах, відкритих для зовнішніх потоків енергії й речовини, внаслідок процесів самоорганізації дало змогу пояснити багато явищ у фізиці, хімії, біології, навіть у суспільних науках. Поступово фізика в цілому й теоретична фізика як її окремий розділ стали природничо-науковим підґрунтям хімії, біології та решти наук про явища спостережуваного світу, а не лиш постачальниками принципів та допоміжним дослідницьким інструментом.
Теоретичні дослідження 21 ст. спрямовуються не тільки на розв’язання фундаментальних питань квантової теорії поля, космології, а й на розроблення теорії систем, що складаються з великої кількості частинок (твердих тіл, рідин, макромолекул, включаючи біомолекули), бо саме у цій царині кількість переходить у якість.
Згідно з висловом Ф. Андерсона «більше означає інше», у хімії та фізиці подібних об’єктів існує можливість відкриття таких нових законів, котрі не завжди можна звести до наслідків фундаментальних законів, притаманних їхнім (об’єктів) вихідним складникам, коли принципово нову якість, або нове фундаментальне явище, наприклад, спонтанну втрату просторово-часової, зарядової або іншої симетрії демонструє складна система, а не симетричні підсистеми, що складають її. Цей якісний ефект виникає вже в окремих молекулах, для яких існують енантіомери (хімічно тотожні молекули із дзеркально відображеною структурою), які відрізняються своєю хіральністю. Інший приклад об’єктів із порушеною симетрією — квантові системи багатьох частинок, де відбуваються фазові перетворення (у надпровідний, надплинний, магнітно впорядкований стани або у стани зі статичними хвилями зарядової або спінової густини). Виникнення нових якостей та закономірностей на складніших ієрархічних рівнях аж до космологічного створює потенційно нескінченний ланцюжок об’єктів, які підлягають аналізу методами теоретичної фізики.
Характеристика
Головна мета теоретичної фізики — дослідження форм матерії, їхніх атрибутів, причин та умов виникнення, причин стабільності або нестабільності. Разом з експериментальною фізикою та астрономічними спостереженнями, теоретична фізика описує фізичну картину світу: Всесвіт, метагалактики, галактики, зорі, планети, предмети макроскопічного розміру, мезо- та мікроскопічні частинки конденсованої матерії, молекули, атоми, атомні ядра, елементарні частинки (наприклад, нуклони), їхні складники (наприклад, кварки та глюони). Ці об’єктами природи є елементами загальної картини світу та існують як багаторівнева ієрархія форм самодиференціації матерії. Унаслідок відкриття нових явищ та отримання нового знання про природу фізична картина світу зазнає безперервних змін.
Водночас сучасна теоретична фізика концептуалізує вивчення більш складних — хімічних і біологічних — форм існуючої матерії, які складаються з фізичних форм, але не зводяться до них. Таким чином, сприяє розвитку теоретичної астрофізики, теоретичної хімії, теоретичної біології — наук про життя загалом.
Структура
Теоретична фізика має такі предметні галузі:
- мережа механік (загальна механіка, небесна механіка, механіка твердого тіла тощо);
- гідро- та аеродинаміки, рівноважна та нерівноважна термодинаміки, електродинаміка;
- фізика конденсованих середовищ, статистична фізика;
- атомна фізика, ядерна фізика, фізика елементарних частинок;
- астрофізика;
- теоретична біофізика.
Ці науки розроблюють конкретні аспекти фізичного світу.
Принципи та напрями
Предметні галузі теоретичної фізики розвиваються на засадничих принципах. На їхній основі сформувалися класична й некласична теоретична фізика (такий поділ почасти є умовним).
Класична теоретична фізика — описуючи макросвіт, виходить із припущень про неперервність значень фізичних величин, абсолютні та незмінні і також неперервні простір та час, інколи допускає далекодію, тобто миттєву силову дію одних тіл на інші тощо.
Некласична теоретична фізика — наука, яка ґрунтується на квантових, релятивістських і квантово-релятивістських теоріях. Описуючи мікросвіт, враховує дискретний характер мікроскопічних фізичних величин, взаємозв’язок простору, часу та матеріальних тіл на рівні мегасвіту, близькодію, тобто скінченну швидкість розповсюдження фундаментальних взаємодій тощо.
Теоретична фізика розвивається не лише внаслідок поглиблення знань про природу, а й трансформацій суспільства та його культури. Інколи вирізняють німецький, французький або англо-саксонський підходи до теоретичної фізики, також наукові школи, засновані видатними фізиками-теоретиками: школа А. Зоммерфельда в Німеччині, Л. Ландау в СРСР, І. Пригожина в Бельгії та ін.
Методологія
Розділи теоретичної фізики взаємопов’язані методичними підходами, предметами, загально-математичними методами досліджень. Сукупно утворюють єдину науку, оперту на фундаментальні принципи симетрії оточуючого простору-часу, котрі зумовлюють, зокрема, існування законів збереження різних фізичних величин (Е. Ньотер). З-поміж них найвідомішим є закон збереження енергії, усвідомлення якого поклало край намірам винайти вічний двигун першого роду.
У процесі виникнення, використання та розвитку кожний поступ теорії завжди перевіряється експериментом і, в свою чергу, спонукає експериментаторів до проведення нових досліджень.
Багатоаспектний взаємозв’язок теорії та експерименту, притаманний усім природничим наукам, є основою наукового методу пізнання, розробленого А. Ньютоном на межі 17–18 ст. Відтоді науковий метод постійно розгалужувався (теорія подібності, уявний експеримент, комп’ютерний експеримент тощо), удосконалювався, застосовувався до створення й обґрунтування нових галузей сучасної науки.
Значення
Принципи теоретичної фізики є основою експериментальної фізики та решти наук про природу, забезпечують науковість підходів і плідність практичних застосувань фундаментальної науки.
Завдяки розробленим науковим методам створено нові технології, на яких базується сучасна промисловість.
Знайдено пояснення стабільності атомів, макроскопічних квантових явищ надпровідності та надплинності.
Теоретично відкрито такі фундаментальні явища, як хвильова природа руху електрона та наявність у нього власного моменту кількості руху — спіну, вимушене випромінювання світла, тунельний ефект в квантовій механіці, тунельний ефект Джозефсона в надпровідності, бозе-ейнштейнівська конденсація, топологічні фазові переходи, бозон Гіггса, антиматерія, гравітаційні хвилі, чорні діри в загальній теорії відносності тощо.
Усі відкриття в царині експериментальної фізики згодом отримали теоретичну інтерпретацію, що забезпечувало й забезпечує подальший науковий прогрес.
Література
- Anderson P. W. More is different // Science. 1972. Volume 177. No 4047. Рр. 393-396.
- Компанеец А. С. Курс теоретической физики. Том I. Элементарные законы. Москва: Просвещение, 1972. 512 с.
- Компанеец А. С. Курс теоретической физики. Том II. Статистические законы. Москва: Просвещение, 1975. 480 с.
- Уайт Р., Джебелл Т. Дальний порядок в твёрдых телах. Москва: Мир, 1982. 448 с.
- Anderson P. W. Basic Notions of Condensed Matter Physics. Reading, MA: Addison-Wesley, 1984. 549 p.
- Гинзбург В. Л. Теоретическая физика и астрофизика. Дополнительные главы. Москва: Наука, 1987. 488 с.
- Kragh H. Quantum Generations. A History of Physics in the Twentieth Century. Princeton: Princeton University Press, 2002. 494 p.
- Longair M. S. Theoretical Concepts in Physics. An Alternative View of Theoretical Reasoning in Physics. Cambridge: Cambridge University Press, 2003. 569 p.
- Aharonov Y. and Rohrlich D. Quantum Paradoxes. Quantum theory for the Perplexed. Weinheim: Wiley-VCH, 2005. 289 p.
- Walecka J. D. Introduction to Modern Physics: Theoretical Foundations. Singapore: World Scientific, 2008. 477 p.
- Hughes R. I. G. The Theoretical Practices of Physics. Philosophical Essays. Oxford: Oxford University Press, 2010. 278 p.
- Вилчек Ф. Тонкая физика. Масса, эфир и объединение всемирных сил. Санкт-Петербург: Питер, 2018.
- Hentschel K. Photons. The History and Mental Models of Light Quanta. Cham: Springer, 2018. 231 p.
Автор ВУЕ
Покликання на цю статтю: Габович О., Кузнєцов В. Теоретична фізика // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Теоретична фізика (дата звернення: 29.04.2024).
Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено: 03.06.2020
Важливо!
Ворог не зупиняється у гібридній війні і постійно атакує наш інформаційний простір фейками.
Ми закликаємо послуговуватися інформацією лише з офіційних сторінок органів влади.
Збережіть собі офіційні сторінки Національної поліції України та обласних управлінь поліції, аби оперативно отримувати правдиву інформацію.
Отримуйте інформацію тільки з офіційних сайтів
Офіс Президента України
Верховна Рада України
Кабінет Міністрів України
Служба безпеки України
Міністерство оборони України
Міністерство внутрішніх справ України
Національна поліція України
