Просмотр кода страницы Теоретическая физика

[[Файл:École de Physique des Houches (Les Houches Physics School) main lecture hall 1972.jpg|мини|Дискуссия в главном зале École de Physique des Houches, 1972. Слева направо: [[Неэман, Юваль|Юваль Неэман]], [[Девитт, Брайс|Брайс Девитт]], [[Торн, Кип|Кип Торн]].]]

'''Теорети́ческая фи́зика''' — раздел [[Физика|физики]], в котором в качестве основного способа познания [[Природа|природы]] используется создание теоретических (в первую очередь [[математическая модель|математических]]) моделей явлений и сопоставление их с реальностью. В такой формулировке теоретическая физика является самостоятельным методом изучения природы, хотя её содержание формируется с учётом результатов экспериментов и наблюдений за природой.

Методология теоретической физики<ref name="fe">{{книга |часть=Физика |заглавие=[[Физическая энциклопедия]] (в 5 томах) |ответственный=Под редакцией акад. [[Прохоров, Александр Михайлович|А. М. Прохорова]] |том=5 |год=1998 |место=М. |издательство=[[Большая Российская энциклопедия (издательство)|Советская Энциклопедия]] |страницы=310 |isbn=5-85270-034-7 }}</ref> состоит в выделении ключевых физических понятий (таких, как [[атом]], [[масса]], [[энергия]], [[энтропия]], [[поле (физика)|поле]] и т. д.) и формулировки на математическом языке законов природы, связывающих эти понятия; объяснении наблюдаемых явлений природы на основе сформулированных законов природы; предсказании новых явлений природы, которые могут быть обнаружены.

Близким аналогом является [[математическая физика]], которая исследует свойства физических моделей на математическом уровне строгости, однако не занимается вопросами выбора физических понятий и сопоставления моделей с реальностью (хотя вполне может предсказать новые явления).

== Особенности ==
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<ref>{{статья|автор=Е. Вигнер|заглавие=Непостижимая эффективность математики в естественных науках|оригинал=Е. Wigner, The Unreasonable Effectiveness of Mathematics in the Natural Sciences, Comm. Pure and Appl. Math. 131, 1 (1960).|ссылка=http://ufn.ru/ru/articles/1968/3/f/|издание=УФН|тип=Лекция в честь Рихарда Куранта, прочитанная 11 мая 1959 г. в Нью-Йоркском университете. Перевод В. А. Белоконя и В. А. Угарова.|год=1968|том=94|выпуск=3|страницы=535—546|archivedate=2012-03-23|archiveurl=https://web.archive.org/web/20120323075532/http://ufn.ru/ru/articles/1968/3/f/}}</ref>, и изучает последствия этого постулата. Строго говоря, теоретическая физика изучает не свойства самой природы, а свойства предлагаемых теоретических моделей. Кроме того, часто теоретическая физика изучает какие-либо модели «сами по себе», без привязки к конкретным природным явлениям.

Однако основной задачей теоретической физики остаётся открытие и понимание наиболее общих законов природы, управляющих какой-либо областью физических явлений, и, во-вторых, исходя из этих законов, описание ожидаемого поведения тех или иных физических систем в реальности. Почти специфической особенностью теоретической физики в отличие от других естественных наук является предсказание ещё неизвестных физических явлений и точных результатов измерений.

== Физическая теория ==
{{нет источников в разделе|дата=2025-06-18}}
Продуктом теоретической физики являются '''физические теории'''. Поскольку теоретическая физика работает именно с математическими моделями, крайне важным требованием является математическая непротиворечивость завершённой 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:
* описание круга явлений, для которых строится математическая модель,
* аксиомы, определяющие математическую модель,
* аксиомы, сопоставляющие (по крайней мере, некоторым) математическим объектам наблюдаемые, физические объекты,
* непосредственные следствия математических аксиом и их эквиваленты в реальном мире, которые истолковываются как предсказания теории.

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. Теория всегда имеет точное схождение с реальностью, её можно перепроверить и доказать сколько угодно раз. Потребуется поиск новой гипотезы, которая станет теорией, при этом, скорее всего, теория относительности окажется каким-то предельным случаем этой новой теории. А новая теория не опровергнет истинность предыдущей, а лишь дополнит. С точки зрения теории, катастрофы в этом нет.

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<ref>Например, расчёты положения небесных светил и времени астрономических явлений на основе [[Геоцентрическая система мира|геоцентрических представлений]] и [[эпицикл]]ов давали хорошее совпадение с наблюдениями лишь невооружённым глазом.</ref>, либо показывается, что эти теории эквивалентны (см. ниже пример с квантовой механикой).

== Построение физических теорий ==
{{нет источников в разделе|дата=2025-06-18}}
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 [[математическая модель|математическую модель]] следует взять за основу. Часто оказывается, что для построения теории требуется новый (причём обычно более сложный) математический аппарат, непохожий на тот, что использовался в теоретической физике где-либо ранее. Это — не прихоть, а необходимость: обычно новые физические теории строятся там, где все предыдущие теории (то есть основанные на «привычном» матаппарате) показали свою несостоятельность в описании природы. Иногда оказывается, что соответствующий матаппарат отсутствует в арсенале чистой математики, и его приходится изобретать или дорабатывать. Например, академик [[Изюмов, Юрий Александрович|Изюмов]] с соавторами развили свой вариант диаграммной техники для описания спиновых операторов, а также для операторов, вводимых при исследовании сильно коррелированных электронных систем (так называемые X-операторы Хаббарда)<ref>''Изюмов Ю. А., Скрябин Ю. Н.'' Статистическая механика магнитоупорядоченных систем. — {{М.}}: Наука, 1987.</ref>{{значимость факта?}}.

Дополнительными, но необязательными, при построении «хорошей» физической теории могут являться следующие критерии:
* «[[Красота математики|математическая красота]]»;
* «[[бритва Оккама]]», а также общность подхода ко многим системам;
* возможность не только описывать уже имеющиеся данные, но и предсказывать новые;
* возможность редукции в какую-либо уже известную теорию в какой-либо их общей области применимости ([[принцип соответствия]]);
* возможность выяснить внутри самой теории её область применимости; так, например, [[классическая механика]] «не знает» границ своей применимости, а [[термодинамика]] «знает» где она может и где не может использоваться.

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 ==
* [[Классическая механика]]. Именно при построении классической механики [[Ньютон, Исаак|Ньютон]] столкнулся с необходимостью введения производных и интегралов, то есть создал дифференциальное и интегральное исчисление.
* [[Статистическая физика]]. Первоначально физическая часть полностью основывалась на классической механике с учётом данных термодинамики и химии, с сильным развитием математических моделей. Ныне является основой [[Физика конденсированного состояния|физики конденсированного состояния]].
* [[Классическая электродинамика]]. [[Уравнения Максвелла]] оказались противоречащими классической механике, однако это противоречие, как стало понятно позже, не означало неверность одной из двух теорий. В границах своей применимости обе теории очень точно описывают действительность (например, классическая механика — движение планет и спутников).
* [[Специальная теория относительности]], революционная теория, поменявшая привычные представления о пространстве и времени.
* [[Общая теория относительности]], в формулировке которой постулируется, что пустое пространство тоже обладает определёнными нетривиальными геометрическими свойствами, и его можно описать методами дифференциальной геометрии.
* [[Квантовая механика]]. После того, как классическая физика не смогла описать квантовые явления, были предприняты попытки переформулировать сам подход к описанию эволюции микроскопических систем. Это удалось [[Шрёдингер, Эрвин|Шрёдингеру]], который постулировал, что каждой частице сопоставляется новый объект — [[волновая функция]], а также [[Гейзенберг, Вернер Карл|Гейзенбергу]], который (независимо от [[Уилер, Джон Арчибальд|Джона Уилера]], сделавшего это в 1937 г.) ввёл существование матрицы рассеяния. Однако наиболее удачную [[математическая модель|математическую модель]] для квантовой механики нашёл [[Нейман Джон фон|фон Нейман]] (теория гильбертовых пространств и действующих в них операторов) и показал, что как волновая механика Шрёдингера, так и матричная механика Гейзенберга являются лишь вариантами (различными представлениями) этой теории. [[Уравнение Дирака]], сформулированное как релятивистское обобщение квантовой механики, привело к предсказанию античастиц.
* [[Квантовая теория поля]]. Закономерный этап в развитии физических теорий — релятивистская теория квантовых полей. Успехом на этом направлении стало создание [[квантовая электродинамика|квантовой электродинамики]]. В 60-х годах Вайнбергом, Саламом и Глэшоу была создана [[Электрослабое взаимодействие|единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий]], предсказавшая существование [[Нейтральный ток|нейтральных токов]] и [[промежуточные векторные бозоны|векторных бозонов]].
* В настоящее время одним из направлений работ является [[теория струн]], которая объединила бы все известные взаимодействия. Сформулировать её как законченную физическую теорию пока не удаётся.

Выше приведены фундаментальные физические теории, но в каждом [[Физика#Разделы физики|разделе физики]] используются специализированные теории, связанные между собой общностью фундаментальных законов физики, теоретических и математических методов. Так, [[физика конденсированного состояния]] и [[физика твёрдого тела]] — разветвлённые области теоретических разработок, основывающихся на уже известных более общих теориях. В то же время такие области как классическая механика или статистическая физика также продолжают развиваться и расти, ряд их сложнейших проблем получили решение лишь в 20 веке.

== Методы теоретической физики в других науках ==
По мнению физика-теоретика академика [[Вонсовский, Сергей Васильевич|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<ref>''Вонсовский С. В.'' Современная естественно-научная картина мира. — Екатеринбург: Изд-во Гуманитарного университета, 2005. — 680 с. — ISBN 5-901527-39-9.</ref>, устанавливается некое своеобразное единство, например, путём возникновения промежуточных дисциплин, таких как химическая физика, геофизика, биофизика и др., что приводит к переходу во всём 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 далёких от математики науках, таких как история и филология, наблюдается стремление к разработке специальных математических подходов.

== См. также ==
{{викицитатник}}
* [[Курс теоретической физики Ландау и Лифшица]]
* [[Физическая энциклопедия]]
* [[Физический энциклопедический словарь]]

== Примечания ==
{{примечания}}

== Ссылки на программы по теоретической физике ==
* [http://theorphys.phys.msu.ru/education/education.html Курсы лекций // Кафедра теоретической физики МГУ]
* [http://www.chair.lpi.ru/rus/courses.html Курсы лекций // Кафедра проблем физики и астрофизики МФТИ]
* [https://chair.itp.ac.ru/index.php?sub=curriculum Курсы кафедры «Проблемы теоретической физики» МФТИ]
* [https://archive.today/20130416213925/http://math.hse.ru/physmath/annot Аннотации учебных дисциплин программы «Математическая физика» ВШЭ]

{{clear}}
{{Нет источников |дата=2011-03-15}}

{{Разделы физики}}

[[Категория:Теоретическая физика|*]]
[[Категория:Разделы физики]]