Teoretická fyzika je obor fyziky, ve kterém se jako hlavní způsob chápání přírody využívá vytváření teoretických (především matematických ) modelů jevů a jejich porovnávání se skutečností . V této formulaci je teoretická fyzika nezávislou metodou studia přírody, i když její obsah je samozřejmě formován s přihlédnutím k výsledkům experimentů a pozorování přírody.
Metodika teoretické fyziky [1] spočívá ve zdůraznění klíčových fyzikálních pojmů (jako je atom , hmotnost , energie , entropie , pole atd.) a formulování přírodních zákonů, které tyto pojmy spojují, v matematickém jazyce; vysvětlení pozorovaných jevů přírody na základě formulovaných přírodních zákonů; předpověď nových přírodních jevů, které lze objevit.
Blízkou obdobou je matematická fyzika , která studuje vlastnosti fyzikálních modelů na matematické úrovni přísnosti, ale nezabývá se výběrem fyzikálních pojmů a porovnáváním modelů s realitou (i když může dobře předpovídat nové jevy).
Teoretická fyzika nebere v úvahu otázky typu „proč by matematika měla popisovat přírodu?“. Bere jako postulát, že z nějakého důvodu je matematický popis přírodních jevů mimořádně účinný [2] , a studuje důsledky tohoto postulátu. Přísně vzato teoretická fyzika nestuduje vlastnosti přírody samotné, ale vlastnosti navrhovaných teoretických modelů. Teoretická fyzika navíc často studuje některé modely „sama od sebe“, bez odkazu na konkrétní přírodní jevy.
Hlavním úkolem teoretické fyziky však zůstává objevování a pochopení nejobecnějších přírodních zákonů, kterými se řídí jakákoli oblast fyzikálních jevů, a za druhé, na základě těchto zákonů popis očekávaného chování určitých fyzikálních systémů v realita. Téměř specifikem teoretické fyziky je na rozdíl od jiných přírodních věd predikce dosud neznámých fyzikálních jevů a přesné výsledky měření.
Produktem teoretické fyziky jsou fyzikální teorie . Protože teoretická fyzika pracuje přesně s matematickými modely, je mimořádně důležitým požadavkem matematická konzistentnost dokončené fyzikální teorie. Druhou povinnou vlastností, která odlišuje teoretickou fyziku od matematiky, je možnost získat v rámci teorie předpovědi chování přírody za určitých podmínek (tedy předpovědi pro experimenty) a v případech, kdy je výsledek experimentu již znám, souhlasit s experimentem.
Výše uvedené nám umožňuje nastínit obecnou strukturu fyzikální teorie. Musí obsahovat:
Z toho je zřejmé, že výroky jako „co když je teorie relativity špatná? bezvýznamný. Teorie relativity jako fyzikální teorie, která splňuje nezbytné požadavky, je již správná. Pokud se ukáže, že v některých předpovědích nesouhlasí s experimentem, pak to znamená, že v těchto jevech není aplikovatelný na realitu. Bude potřeba hledat novou teorii a může se ukázat, že teorie relativity se ukáže jako nějaký limitující případ této nové teorie. Z hlediska teorie v tom není žádná katastrofa. Navíc nyní existuje podezření, že za určitých podmínek (při energetické hustotě řádu Planckiana) nebude žádná z existujících fyzikálních teorií adekvátní.
V zásadě je možná situace, kdy pro stejný rozsah jevů existuje několik různých fyzikálních teorií vedoucích k podobným nebo shodným předpovědím. Historie vědy ukazuje, že taková situace je obvykle dočasná: dříve nebo později se buď jedna teorie ukáže jako adekvátnější než druhá [3] , nebo se ukáže, že tyto teorie jsou ekvivalentní (viz níže příklad s kvantovou mechanikou ).
Základní fyzikální teorie zpravidla nejsou odvozeny od již známých, ale jsou vytvořeny od nuly. Prvním krokem v takové konstrukci je skutečné „uhádnutí“ toho, jaký matematický model by měl být základem. Často se ukazuje, že konstrukce teorie vyžaduje nový (a obvykle složitější) matematický aparát, na rozdíl od toho, který se dříve používal v teoretické fyzice. To není rozmar, ale nutnost: obvykle se budují nové fyzikální teorie tam, kde všechny předchozí teorie (tj. založené na "obvyklém" materiálu) ukázaly svou nekonzistentnost v popisu přírody. Někdy se ukáže, že odpovídající matematický aparát není v arzenálu čisté matematiky a je třeba ho vymyslet nebo vylepšit. Například akademik Yu. A. Izyumov a spoluautoři vyvinuli vlastní verzi techniky diagramu pro popis spinových operátorů a také pro operátory zavedené při studiu silně korelovaných elektronických systémů (tzv. Hubbard X-operators) [4] .
Další, ale volitelná, při konstrukci „dobré“ fyzikální teorie mohou být následující kritéria:
Kritéria jako „ zdravý rozum “ nebo „každodenní zkušenost“ jsou nejen nežádoucí při vytváření teorie, ale již se jim podařilo zdiskreditovat: mnoho moderních teorií může „protiřečit zdravému rozumu“, ale realitu popisují o mnoho řádů přesněji než "teorie založené na zdravém rozumu."
Výše jsou uvedeny základní fyzikální teorie, ale v každé části fyziky se používají specializované teorie, propojené obecností základních fyzikálních zákonů, teoretických a matematických metod. Fyzika kondenzovaných látek a fyzika pevných látek jsou tedy rozvětvené oblasti teoretického vývoje založené na již známých obecnějších teoriích. Současně se dále rozvíjejí a rozvíjejí i takové obory jako klasická mechanika nebo statistická fyzika, řadu jejich nejobtížnějších problémů se podařilo vyřešit až ve 20. století.
Podle teoretického fyzika akademika S. V. Vonsovského se přístupy a metody teoretické fyziky od 20. století stále úspěšněji uplatňují v jiných vědách. Takže v přírodních vědách, kde jsou mezi obory zjevnější než zásadní rozdíly, [5] se ustavuje určitý druh jednoty, například vznikem intermediálních oborů, jako je chemická fyzika, geofyzika, biofyzika atd. což vede k přechodu ve všech přírodních vědách.z deskriptivního stadia k přísně kvantitativnímu s využitím plné síly moderního matematického aparátu používaného v teoretické fyzice. Stejné trendy jsou v poslední době pozorovány i ve společenských a humanitních vědách: vznikl komplex věd v ekonomické kybernetice, kde jsou matematické modely vytvářeny pomocí nejsložitějšího matematického aparátu. A dokonce i ve vědách dost vzdálených matematice, jako je historie a filologie, existuje touha rozvíjet speciální matematické přístupy.