Física Teórica - Theoretical physics

Representação visual de um buraco de minhoca de Schwarzschild . Buracos de minhoca nunca foram observados, mas prevê-se que existam por meio de modelos matemáticos e teoria científica .

A física teórica é um ramo da física que emprega modelos matemáticos e abstrações de objetos físicos e sistemas para racionalizar, explicar e prever fenômenos naturais . Isso contrasta com a física experimental , que usa ferramentas experimentais para sondar esses fenômenos.

O avanço da ciência geralmente depende da interação entre estudos experimentais e teoria . Em alguns casos, a física teórica segue padrões de rigor matemático , dando pouco peso aos experimentos e observações. Por exemplo, ao desenvolver a relatividade especial , Albert Einstein estava preocupado com a transformação de Lorentz que deixou as equações de Maxwell invariantes, mas aparentemente não estava interessado no experimento de Michelson-Morley na deriva da Terra através de um éter luminífero . Por outro lado, Einstein recebeu o Prêmio Nobel por explicar o efeito fotoelétrico , antes um resultado experimental sem formulação teórica.

Visão geral

Uma teoria física é um modelo de eventos físicos. É julgado pela medida em que suas previsões concordam com as observações empíricas. A qualidade de uma teoria física também é avaliada por sua capacidade de fazer novas previsões, que podem ser verificadas por novas observações. Uma teoria física difere de um teorema matemático porque, embora ambos sejam baseados em alguma forma de axioma , o julgamento da aplicabilidade matemática não se baseia na concordância com nenhum resultado experimental. Uma teoria física difere similarmente de uma teoria matemática , no sentido de que a palavra "teoria" tem um significado diferente em termos matemáticos.

As equações para uma variedade de Einstein , usadas na relatividade geral para descrever a curvatura do espaço-tempo

Uma teoria física envolve uma ou mais relações entre várias quantidades mensuráveis. Arquimedes percebeu que um navio flutua ao deslocar sua massa de água, Pitágoras entendeu a relação entre o comprimento de uma corda vibrante e o tom musical que ela produz. Outros exemplos incluem a entropia como uma medida da incerteza em relação às posições e movimentos de partículas invisíveis e a ideia da mecânica quântica de que ( ação e) energia não são continuamente variáveis.

A física teórica consiste em várias abordagens diferentes. Nesse sentido, a física teórica de partículas constitui um bom exemplo. Por exemplo: " fenomenologistas " podem empregar fórmulas ( semi ) empíricas e heurísticas para concordar com resultados experimentais, muitas vezes sem um conhecimento físico profundo . "Modeladores" (também chamados de "construtores de modelos") costumam se parecer muito com fenomenologistas, mas tentam modelar teorias especulativas que têm certas características desejáveis ​​(ao invés de dados experimentais) ou aplicar as técnicas de modelagem matemática a problemas físicos. Alguns tentam criar teorias aproximadas, chamadas teorias eficazes , porque teorias totalmente desenvolvidas podem ser consideradas insolúveis ou muito complicadas . Outros teóricos podem tentar unificar , formalizar, reinterpretar ou generalizar teorias existentes, ou criar teorias completamente novas. Às vezes, a visão fornecida por sistemas matemáticos puros pode fornecer pistas de como um sistema físico pode ser modelado; por exemplo, a noção, devido a Riemann e outros, de que o próprio espaço pode ser curvo. Problemas teóricos que precisam de investigação computacional são frequentemente preocupação da física computacional .

Os avanços teóricos podem consistir em deixar de lado velhos paradigmas incorretos (por exemplo, teoria do éter de propagação da luz, teoria calórica do calor, queima consistindo em flogisto em evolução ou corpos astronômicos girando em torno da Terra ) ou pode ser um modelo alternativo que fornece respostas que são mais precisos ou que podem ser mais amplamente aplicados. Neste último caso, um princípio de correspondência será necessário para recuperar o resultado conhecido anteriormente . Porém, às vezes, os avanços podem seguir caminhos diferentes. Por exemplo, uma teoria essencialmente correta pode precisar de algumas revisões conceituais ou factuais; a teoria atômica , postulada pela primeira vez há milênios (por vários pensadores na Grécia e na Índia ) e a teoria dos dois fluidos da eletricidade são dois casos neste ponto. No entanto, uma exceção a todos os itens acima é a dualidade onda-partícula , uma teoria que combina aspectos de modelos diferentes e opostos por meio do princípio de complementaridade de Bohr .

Relação entre matemática e física

As teorias físicas são aceitas se forem capazes de fazer previsões corretas e nenhuma (ou poucas) incorretas. A teoria deveria ter, pelo menos como objetivo secundário, certa economia e elegância (em comparação com a beleza matemática ), noção às vezes chamada de " navalha de Occam " em homenagem ao filósofo inglês do século XIII Guilherme de Occam (ou Ockham), em que o a mais simples de duas teorias que descrevem o mesmo assunto da mesma forma adequada é a preferida (mas a simplicidade conceitual pode significar complexidade matemática). Também é mais provável que sejam aceitos se conectarem uma ampla gama de fenômenos. Testar as consequências de uma teoria faz parte do método científico .

As teorias físicas podem ser agrupadas em três categorias: teorias convencionais , teorias propostas e teorias marginais .

História

Mais informações: História da Física

A física teórica começou pelo menos 2.300 anos atrás, sob a filosofia pré-socrática , e continuou por Platão e Aristóteles , cujas opiniões prevaleceram por um milênio. Durante a ascensão das universidades medievais , as únicas disciplinas intelectuais reconhecidas foram as sete artes liberais do Trivium como gramática , lógica e retórica e do Quadrivium como aritmética , geometria , música e astronomia . Durante a Idade Média e o Renascimento , o conceito de ciência experimental , o contraponto à teoria, começou com estudiosos como Ibn al-Haytham e Francis Bacon . À medida que a Revolução Científica ganhava velocidade, os conceitos de matéria , energia, espaço, tempo e causalidade lentamente começaram a adquirir a forma que conhecemos hoje, e outras ciências derivaram da rubrica da filosofia natural . Assim começou a era moderna da teoria com a mudança de paradigma copernicano na astronomia, logo seguida pelas expressões de Johannes Kepler para órbitas planetárias, que resumiam as observações meticulosas de Tycho Brahe ; as obras desses homens (ao lado das de Galileu) podem talvez ser consideradas como constituindo a Revolução Científica.

O grande impulso em direção ao conceito moderno de explicação começou com Galileu , um dos poucos físicos que foi um teórico consumado e um grande experimentalista . A geometria analítica e a mecânica de Descartes foram incorporadas ao cálculo e à mecânica de Isaac Newton , outro teórico / experimentalista da mais alta ordem, escrevendo Principia Mathematica . Nele continha uma grande síntese da obra de Copérnico, Galileu e Kepler; bem como as teorias da mecânica e da gravitação de Newton, que dominaram as visões de mundo até o início do século XX. Simultaneamente, o progresso também foi feito na ótica (em particular na teoria da cor e na antiga ciência da ótica geométrica ), cortesia de Newton, Descartes e os holandeses Snell e Huygens. Nos séculos 18 e 19, Joseph-Louis Lagrange , Leonhard Euler e William Rowan Hamilton estenderiam a teoria da mecânica clássica consideravelmente. Eles perceberam o entrelaçamento interativo da matemática e da física iniciado dois milênios antes por Pitágoras.

Entre as grandes conquistas conceituais dos séculos 19 e 20 está a consolidação da ideia de energia (bem como sua conservação global) pela inclusão de calor , eletricidade e magnetismo e, em seguida, luz . As leis da termodinâmica e, mais importante ainda, a introdução do conceito singular de entropia começaram a fornecer uma explicação macroscópica para as propriedades da matéria. A mecânica estatística (seguida pela física estatística e pela mecânica estatística quântica ) surgiu como um desdobramento da termodinâmica no final do século XIX. Outro evento importante no século 19 foi a descoberta da teoria eletromagnética , unificando os fenômenos anteriormente separados de eletricidade, magnetismo e luz.

Os pilares da física moderna , e talvez as teorias mais revolucionárias da história da física, têm sido a teoria da relatividade e a mecânica quântica . A mecânica newtoniana foi incluída na relatividade especial e a gravidade de Newton recebeu uma explicação cinemática pela relatividade geral . A mecânica quântica levou a uma compreensão da radiação do corpo negro (que, de fato, foi uma motivação original para a teoria) e de anomalias nos calores específicos dos sólidos - e, finalmente, a uma compreensão das estruturas internas de átomos e moléculas . A mecânica quântica logo deu lugar à formulação da teoria quântica de campos (QFT), iniciada no final dos anos 1920. No rescaldo da 2ª Guerra Mundial, mais progresso trouxe um interesse muito renovado no QFT, que desde os primeiros esforços, estagnou. O mesmo período também viu novos ataques aos problemas de supercondutividade e transições de fase, bem como as primeiras aplicações de QFT na área da matéria condensada teórica. Os anos 1960 e 70 viram a formulação do modelo padrão da física de partículas usando QFT e o progresso na física da matéria condensada ( fundamentos teóricos da supercondutividade e fenômenos críticos , entre outros ), em paralelo às aplicações da relatividade a problemas em astronomia e cosmologia, respectivamente .

Todas essas conquistas dependiam da física teórica como força motriz tanto para sugerir experimentos quanto para consolidar resultados - muitas vezes pela aplicação engenhosa da matemática existente ou, como no caso de Descartes e Newton (com Leibniz ), pela invenção de novas matemáticas. Os estudos de Fourier sobre a condução de calor levaram a um novo ramo da matemática: séries ortogonais infinitas .

A física teórica moderna tenta unificar teorias e explicar fenômenos em novas tentativas de compreender o Universo , da escala cosmológica à escala de partículas elementares . Onde a experimentação não pode ser feita, a física teórica ainda tenta avançar por meio do uso de modelos matemáticos.

Teorias mainstream

As teorias convencionais (às vezes chamadas de teorias centrais ) são o corpo de conhecimento de visões factuais e científicas e possuem uma qualidade científica usual dos testes de repetibilidade, consistência com a ciência e experimentação bem estabelecidas existentes. Existem teorias convencionais que são geralmente aceitas com base unicamente em seus efeitos, explicando uma ampla variedade de dados, embora a detecção, explicação e possível composição sejam temas de debate.

Exemplos

Teorias propostas

As teorias da física propostas são geralmente teorias relativamente novas que tratam do estudo da física que incluem abordagens científicas, meios para determinar a validade dos modelos e novos tipos de raciocínio usados ​​para chegar à teoria. No entanto, algumas teorias propostas incluem teorias que já existem há décadas e escapam aos métodos de descoberta e teste. As teorias propostas podem incluir teorias marginais em processo de estabelecimento (e, às vezes, ganhando aceitação mais ampla). As teorias propostas geralmente não foram testadas. Além de teorias como as listadas abaixo, também existem diferentes interpretações da mecânica quântica , que podem ou não ser consideradas teorias diferentes, uma vez que é discutível se elas produzem previsões diferentes para experimentos físicos, mesmo em princípio.

Exemplos

Teorias marginais

As teorias marginais incluem qualquer nova área de empreendimento científico em processo de estabelecimento e algumas teorias propostas. Pode incluir ciências especulativas. Isso inclui campos da física e teorias físicas apresentadas de acordo com evidências conhecidas, e um conjunto de previsões associadas foram feitas de acordo com essa teoria.

Algumas teorias marginais passam a se tornar uma parte amplamente aceita da física. Outras teorias marginais acabam sendo refutadas. Algumas teorias marginais são uma forma de protociência e outras são uma forma de pseudociência . A falsificação da teoria original às vezes leva à reformulação da teoria.

Exemplos

Experimentos de pensamento vs experimentos reais

Artigo principal: Experiência de pensamento

Os experimentos de "pensamento" são situações criadas na mente de alguém, fazendo uma pergunta semelhante a "suponha que você esteja nesta situação, supondo que isso seja verdade, o que se seguiria?". Eles geralmente são criados para investigar fenômenos que não são facilmente experimentados nas situações do dia-a-dia. Exemplos famosos de tais experimentos mentais são o gato de Schrödinger , o experimento mental EPR , ilustrações simples de dilatação do tempo e assim por diante. Isso geralmente leva a experimentos reais projetados para verificar se a conclusão (e, portanto, as suposições) dos experimentos mentais estão corretos. O experimento de pensamento EPR levou às desigualdades de Bell , que foram então testadas em vários graus de rigor , levando à aceitação da formulação atual da mecânica quântica e do probabilismo como uma hipótese de trabalho .

Veja também

Notas

Referências

Leitura adicional

  • Ciências Físicas . Encyclopædia Britannica (Macropaedia) . 25 (15ª ed.). 1994.
  • Duhem, Pierre. "La théorie physique - Son objet, sa structure," (em francês). 2ª edição - 1914. Tradução para o inglês: "A teoria física - seu propósito, sua estrutura,". Republicado pela livraria filosófica Joseph Vrin (1981), ISBN   2711602214 .
  • Feynman, et al. " The Feynman Lectures on Physics " (3 vol.). Primeira edição: Addison – Wesley, (1964,1966).
Livro-texto de três volumes mais vendido que cobre a extensão da física. Referência para alunos (sub) graduados e pesquisadores profissionais.
Famosa série de livros que tratam de conceitos teóricos em física, cobrindo 10 volumes, traduzidos em várias línguas e reimpressos em várias edições. Muitas vezes conhecido simplesmente como "Landau e Lifschits" ou "Landau-Lifschits" na literatura.
Um conjunto de palestras proferidas em 1909 na Universidade de Columbia .
Uma série de aulas de um mestre educador de físicos teóricos.

links externos