La física teórica es una rama de la física en la que la creación de modelos teóricos (principalmente matemáticos ) de los fenómenos y su comparación con la realidad se utiliza como principal forma de entender la naturaleza . En esta formulación, la física teórica es un método independiente para estudiar la naturaleza, aunque su contenido, por supuesto, se forma teniendo en cuenta los resultados de los experimentos y las observaciones de la naturaleza.
La metodología de la física teórica [1] consiste en resaltar conceptos físicos clave (como átomo , masa , energía , entropía , campo , etc.) y formular en lenguaje matemático las leyes de la naturaleza que conectan estos conceptos; explicación de los fenómenos observados de la naturaleza sobre la base de las leyes formuladas de la naturaleza; predicción de nuevos fenómenos naturales que pueden ser descubiertos.
Un análogo cercano es la física matemática , que estudia las propiedades de los modelos físicos a un nivel matemático de rigor, pero no se ocupa de la elección de conceptos físicos y la comparación de modelos con la realidad (aunque bien puede predecir nuevos fenómenos).
La física teórica no considera preguntas como "¿por qué las matemáticas deberían describir la naturaleza?". Toma como postulado que, por alguna razón, la descripción matemática de los fenómenos naturales es sumamente eficaz [2] y estudia las consecuencias de este postulado. Estrictamente hablando, la física teórica no estudia las propiedades de la naturaleza en sí, sino las propiedades de los modelos teóricos propuestos. Además, la física teórica a menudo estudia algunos modelos "por su cuenta", sin referencia a fenómenos naturales específicos.
Sin embargo, la tarea principal de la física teórica sigue siendo el descubrimiento y la comprensión de las leyes más generales de la naturaleza que gobiernan cualquier área de los fenómenos físicos y, en segundo lugar, en base a estas leyes, una descripción del comportamiento esperado de ciertos sistemas físicos en la realidad. Una característica casi específica de la física teórica, en contraste con otras ciencias naturales, es la predicción de fenómenos físicos aún desconocidos y resultados de medición precisos.
El producto de la física teórica son las teorías físicas . Dado que la física teórica trabaja precisamente con modelos matemáticos, un requisito extremadamente importante es la consistencia matemática de una teoría física completa. La segunda propiedad obligatoria que distingue a la física teórica de las matemáticas es la posibilidad de obtener dentro de la teoría predicciones para el comportamiento de la naturaleza bajo ciertas condiciones (es decir, predicciones para experimentos) y, en aquellos casos en los que ya se conoce el resultado del experimento, estar de acuerdo con el experimento.
Lo anterior nos permite esbozar la estructura general de la teoría física. Debe contener:
A partir de esto, queda claro que afirmaciones como "¿y si la teoría de la relatividad es incorrecta?" sin sentido. La teoría de la relatividad , como teoría física que satisface los requisitos necesarios, ya es correcta. Si resulta que no concuerda con el experimento en algunas predicciones, entonces significa que no es aplicable a la realidad en estos fenómenos. Se requerirá una búsqueda de una nueva teoría, y puede resultar que la teoría de la relatividad resulte ser un caso límite de esta nueva teoría. Desde el punto de vista de la teoría, no hay catástrofe en esto. Además, ahora se sospecha que bajo ciertas condiciones (a una densidad de energía del orden de Planckian) ninguna de las teorías físicas existentes será adecuada.
En principio, una situación es posible cuando para el mismo rango de fenómenos existen varias teorías físicas diferentes que conducen a predicciones similares o coincidentes. La historia de la ciencia muestra que tal situación suele ser temporal: tarde o temprano, una teoría resulta ser más adecuada que la otra [3] , o se demuestra que estas teorías son equivalentes (ver más abajo un ejemplo con la mecánica cuántica). ).
Las teorías físicas fundamentales, por regla general, no se derivan de las ya conocidas, sino que se construyen desde cero. El primer paso en tal construcción es la verdadera "conjetura" de qué modelo matemático debe tomarse como base. A menudo resulta que la construcción de una teoría requiere un aparato matemático nuevo (y por lo general más complejo), a diferencia del utilizado en física teórica en cualquier lugar antes. Esto no es un capricho, sino una necesidad: por lo general, se construyen nuevas teorías físicas donde todas las teorías anteriores (es decir, basadas en el material "habitual") han mostrado su inconsistencia en la descripción de la naturaleza. A veces resulta que el aparato matemático correspondiente no está en el arsenal de las matemáticas puras y hay que inventarlo o mejorarlo. Por ejemplo, el académico Yu. A. Izyumov y los coautores desarrollaron su propia versión de la técnica de diagrama para describir operadores de espín, así como para operadores introducidos en el estudio de sistemas electrónicos fuertemente correlacionados (los llamados operadores X de Hubbard) [4] .
Adicional, pero opcional, al construir una "buena" teoría física, los siguientes criterios pueden ser:
Criterios como el " sentido común " o la "experiencia cotidiana" no sólo son indeseables a la hora de construir una teoría, sino que ya han logrado desacreditarse a sí mismos: muchas teorías modernas pueden "contradecir el sentido común", pero describen la realidad en muchos órdenes de magnitud con mayor precisión que "teorías basadas en el sentido común".
Arriba están las teorías físicas fundamentales, pero en cada sección de la física se utilizan teorías especializadas, interconectadas por la generalidad de las leyes fundamentales de la física, métodos teóricos y matemáticos. Así, la física de la materia condensada y la física del estado sólido son áreas ramificadas de desarrollos teóricos basados en teorías más generales ya conocidas. Al mismo tiempo, campos como la mecánica clásica o la física estadística también continúan desarrollándose y creciendo, algunos de sus problemas más difíciles se resolvieron solo en el siglo XX.
Según el físico teórico académico S.V. Vonsovsky , desde el siglo XX, los enfoques y métodos de la física teórica se han utilizado cada vez con más éxito en otras ciencias. Así, en las ciencias naturales, donde existen diferencias más aparentes que fundamentales entre las disciplinas, [5] se establece un cierto tipo de unidad, por ejemplo, a través del surgimiento de disciplinas intermedias, como la física química, la geofísica, la biofísica, etc., lo que conduce a una transición en todas las ciencias naturales, de una etapa descriptiva a una estrictamente cuantitativa, utilizando todo el poder del aparato matemático moderno utilizado en la física teórica. Las mismas tendencias se han observado recientemente en las ciencias sociales y humanas: ha surgido un complejo de ciencias en la cibernética económica, donde se crean modelos matemáticos utilizando los aparatos matemáticos más complejos. E incluso en ciencias bastante alejadas de las matemáticas, como la historia y la filología, existe el deseo de desarrollar enfoques matemáticos especiales.