Física teórica

La física teórica es una rama de la física que emplea modelos matemáticos y abstracciones de objetos y sistemas físicos para racionalizar, explicar y predecir fenómenos naturales. Esto contrasta con la física experimental, que utiliza herramientas experimentales para probar estos fenómenos.

El avance de la ciencia generalmente depende de la interacción entre los estudios experimentales y la teoría. En algunos casos, la física teórica se adhiere a los estándares de rigor matemático mientras da poca importancia a los experimentos y observaciones. Por ejemplo, mientras desarrollaba la relatividad especial, Albert Einstein estaba preocupado por la transformación de Lorentz que dejaba invariables las ecuaciones de Maxwell, pero aparentemente no estaba interesado en el experimento de Michelson-Morley sobre la deriva de la Tierra a través de un éter luminífero. Por el contrario, Einstein recibió el Premio Nobel por explicar el efecto fotoeléctrico, anteriormente un resultado experimental que carecía de una formulación teórica.

Visión general

Una teoría física es un modelo de eventos físicos. Se juzga por la medida en que sus predicciones concuerdan con las observaciones empíricas. La calidad de una teoría física también se juzga por su capacidad para hacer nuevas predicciones que pueden verificarse mediante nuevas observaciones. Una teoría física se diferencia de un teorema matemático en que, si bien ambos se basan en alguna forma de axiomas, el juicio de aplicabilidad matemática no se basa en la concordancia con ningún resultado experimental. Una teoría física difiere de manera similar de una teoría matemática, en el sentido de que la palabra "teoría" tiene un significado diferente en términos matemáticos.

Las ecuaciones de una variedad de Einstein, utilizadas en la relatividad general para describir la curvatura del espacio-tiempo.

Una teoría física involucra una o más relaciones entre varias cantidades medibles. Arquímedes se dio cuenta de que un barco flota desplazando su masa de agua, Pitágoras entendió la relación entre la longitud de una cuerda que vibra y el tono musical que produce. Otros ejemplos incluyen la entropía como una medida de la incertidumbre con respecto a las posiciones y movimientos de partículas invisibles y la idea mecánica cuántica de que (la acción y) la energía no son continuamente variables.

La física teórica consta de varios enfoques diferentes. En este sentido, la física teórica de partículas constituye un buen ejemplo. Por ejemplo: los "fenomenólogos" pueden emplear fórmulas (semi) empíricas y heurísticas para estar de acuerdo con los resultados experimentales, a menudo sin una comprensión física profunda. Los "modeladores" (también llamados "constructores de modelos") a menudo se parecen mucho a los fenomenólogos, pero intentan modelar teorías especulativas que tienen ciertas características deseables (en lugar de datos experimentales), o aplican las técnicas de modelado matemático a problemas de física. Algunos intentan crear teorías aproximadas, llamadas teorías efectivas., porque las teorías completamente desarrolladas pueden considerarse irresolubles o demasiado complicadas. Otros teóricos pueden tratar de unificar, formalizar, reinterpretar o generalizar teorías existentes, o crear otras completamente nuevas. A veces, la visión proporcionada por los sistemas matemáticos puros puede proporcionar pistas sobre cómo se puede modelar un sistema físico; por ejemplo, la noción, debida a Riemann y otros, de que el espacio mismo podría ser curvo. Los problemas teóricos que necesitan investigación computacional son a menudo la preocupación de la física computacional.

Los avances teóricos pueden consistir en dejar de lado paradigmas antiguos e incorrectos (por ejemplo, la teoría del éter de la propagación de la luz, la teoría calórica del calor, la quema que consiste en la evolución del flogisto o los cuerpos astronómicos que giran alrededor de la Tierra) o puede ser un modelo alternativo que proporcione respuestas que son más precisos o que se pueden aplicar más ampliamente. En este último caso, se requerirá un principio de correspondencia para recuperar el resultado previamente conocido. A veces, sin embargo, los avances pueden avanzar por caminos diferentes. Por ejemplo, una teoría esencialmente correcta puede necesitar algunas revisiones conceptuales o fácticas; la teoría atómica, postulada por primera vez hace milenios (por varios pensadores en Grecia e India) y la teoría de la electricidad de dos fluidos Son dos casos en este punto. Sin embargo, una excepción a todo lo anterior es la dualidad onda-partícula, una teoría que combina aspectos de diferentes modelos opuestos a través del principio de complementariedad de Bohr.

Las teorías físicas se aceptan si son capaces de hacer predicciones correctas y ninguna (o pocas) incorrectas. La teoría debería tener, al menos como objetivo secundario, cierta economía y elegancia (en comparación con la belleza matemática), una noción a veces llamada "la navaja de Occam" en honor al filósofo inglés del siglo XIII William of Occam (u Ockham), en la que el Se prefiere la más simple de dos teorías que describen el mismo asunto con la misma adecuación (pero la simplicidad conceptual puede significar complejidad matemática). También es más probable que sean aceptados si conectan una amplia gama de fenómenos. Probar las consecuencias de una teoría es parte del método científico.

Las teorías físicas se pueden agrupar en tres categorías: teorías principales, teorías propuestas y teorías marginales.

Historia

La física teórica comenzó hace al menos 2.300 años, bajo la filosofía presocrática, y continuó con Platón y Aristóteles, cuyas opiniones dominaron durante un milenio. Durante el surgimiento de las universidades medievales, las únicas disciplinas intelectuales reconocidas eran las siete artes liberales del Trivium como gramática, lógica y retórica y del Quadrivium.como la aritmética, la geometría, la música y la astronomía. Durante la Edad Media y el Renacimiento, el concepto de ciencia experimental, el contrapunto de la teoría, comenzó con estudiosos como Ibn al-Haytham y Francis Bacon. A medida que la Revolución Científica se aceleraba, los conceptos de materia, energía, espacio, tiempo y causalidad comenzaron a adquirir lentamente la forma que conocemos hoy, y otras ciencias se derivaron de la rúbrica de la filosofía natural. Así comenzó la era moderna de la teoría con el cambio de paradigma copernicano en astronomía, seguido pronto por las expresiones de Johannes Kepler para las órbitas planetarias, que resumieron las meticulosas observaciones de Tycho Brahe; las obras de estos hombres (junto con las de Galileo) quizás puedan considerarse como constituyentes de la Revolución Científica.

El gran impulso hacia el concepto moderno de explicación comenzó con Galileo, uno de los pocos físicos que era tanto un teórico consumado como un gran experimentador. La geometría analítica y la mecánica de Descartes se incorporaron al cálculo y la mecánica de Isaac Newton, otro teórico/experimentalista del más alto nivel, al escribir Principia Mathematica.En él contenía una gran síntesis de la obra de Copérnico, Galileo y Kepler; así como las teorías de la mecánica y la gravitación de Newton, que dominaron como visiones del mundo hasta principios del siglo XX. Simultáneamente, también se avanzó en óptica (en particular, la teoría del color y la antigua ciencia de la óptica geométrica), cortesía de Newton, Descartes y los holandeses Snell y Huygens. En los siglos XVIII y XIX Joseph-Louis Lagrange, Leonhard Euler y William Rowan Hamilton ampliarían considerablemente la teoría de la mecánica clásica. Retomaron el entrelazamiento interactivo de matemáticas y física iniciado dos milenios antes por Pitágoras.

Entre los grandes logros conceptuales de los siglos XIX y XX estuvo la consolidación de la idea de energía (así como su conservación global) mediante la inclusión del calor, la electricidad y el magnetismo, y luego la luz. Las leyes de la termodinámica y, lo que es más importante, la introducción del concepto singular de entropía comenzaron a proporcionar una explicación macroscópica de las propiedades de la materia. La mecánica estadística (seguida de la física estadística y la mecánica estadística cuántica) surgió como una rama de la termodinámica a fines del siglo XIX. Otro evento importante en el siglo XIX fue el descubrimiento de la teoría electromagnética, unificando los fenómenos previamente separados de la electricidad, el magnetismo y la luz.

Los pilares de la física moderna, y quizás las teorías más revolucionarias de la historia de la física, han sido la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica. La mecánica newtoniana se incluyó en la relatividad especial y la gravedad de Newton recibió una explicación cinemática de la relatividad general. La mecánica cuántica condujo a la comprensión de la radiación del cuerpo negro (que, de hecho, fue una motivación original para la teoría) y de las anomalías en los calores específicos de los sólidos, y finalmente a la comprensión de las estructuras internas de los átomos y las moléculas. La mecánica cuántica pronto dio paso a la formulación de la teoría cuántica de campos (QFT), iniciada a fines de la década de 1920. Después de la Segunda Guerra Mundial, un mayor progreso generó un interés renovado en QFT, que se había estancado desde los primeros esfuerzos. El mismo período también vio nuevos ataques a los problemas de la superconductividad y las transiciones de fase, así como las primeras aplicaciones de QFT en el área de la materia condensada teórica. Las décadas de 1960 y 1970 vieron la formulación del modelo estándar de física de partículas usando QFT y el progreso en física de materia condensada (fundamentos teóricos de superconductividad y fenómenos críticos, entre otros), en paralelo a las aplicaciones de la relatividad a problemas en astronomía y cosmología respectivamente.

Todos estos logros dependieron de la física teórica como fuerza impulsora tanto para sugerir experimentos como para consolidar resultados, a menudo mediante la aplicación ingeniosa de las matemáticas existentes o, como en el caso de Descartes y Newton (con Leibniz), inventando nuevas matemáticas. Los estudios de Fourier sobre la conducción del calor condujeron a una nueva rama de las matemáticas: las series ortogonales infinitas.

La física teórica moderna intenta unificar teorías y explicar fenómenos en nuevos intentos de comprender el Universo, desde la escala cosmológica hasta la de partículas elementales. Donde no se puede hacer experimentación, la física teórica aún intenta avanzar mediante el uso de modelos matemáticos.

Teorías convencionales

Las teorías convencionales (a veces denominadas teorías centrales) son el conjunto de conocimientos de puntos de vista tanto fácticos como científicos y poseen una calidad científica habitual de las pruebas de repetibilidad, coherencia con la ciencia y la experimentación bien establecidas existentes. Existen teorías convencionales que son teorías generalmente aceptadas basadas únicamente en sus efectos que explican una amplia variedad de datos, aunque la detección, explicación y posible composición son temas de debate.

Ejemplos

• Modelos analógicos de gravedad
• Big Bang
• Causalidad
• Teoría del caos
• Teoría clásica de campos
• Mecanica clasica
• Física de la materia condensada (incluida la física del estado sólido y la estructura electrónica de los materiales)
• Ley de conservación
• Conservación del momento angular
• Conservacion de energia
• Conservación de la masa
• Conservación de momento
• Mecánica de Medios Continuos
• Hipótesis de la censura cósmica
• Constante cosmológica
• simetría CPT
• Materia oscura
• Dinámica
• teoría de la dinamo
• Electromagnetismo
• interacción electrodébil
• Teoría de campos
• teorema de fluctuación
• Dinámica de fluidos
• Mecánica de fluidos
• Interacción fundamental
• Relatividad general
• Constante gravitacional
• Principio de incertidumbre de Heisenberg
• Teoría cinética de los gases.
• Leyes de la termodinámica
• ecuaciones de Maxwell
• Las leyes del movimiento de Newton
• principio de exclusión de Pauli
• Teoría de la perturbación (mecánica cuántica)
• Cosmología física
• constante de Planck
• Teorema de recurrencia de Poincaré
• biología cuántica
• Caos cuántico
• Cromodinámica cuántica
• Teoría de la complejidad cuántica
• Computación cuántica
• Dinámica cuántica
• electroquímica cuántica
• electrodinámica cuántica
• Teoría cuántica de campos
• Teoría cuántica de campos en el espacio-tiempo curvo
• geometría cuántica
• Teoría de la información cuántica
• lógica cuántica
• Mecánica cuántica
• óptica cuántica
• Física cuántica
• Termodinámica cuántica
• Mecánica cuántica relativista
• teoría de la dispersión
• Mecánica sólida
• Relatividad especial
• Teorema de la estadística de espín
• Ruptura espontánea de simetría
• Modelo estandar
• Mecánica estadística
• física estadística
• Teoría de la relatividad
• Termodinámica
• Dualidad onda-partícula
• Interacción débil

Teorías propuestas

Las teorías propuestasde la física suelen ser teorías relativamente nuevas que se ocupan del estudio de la física que incluyen enfoques científicos, medios para determinar la validez de los modelos y nuevos tipos de razonamiento utilizados para llegar a la teoría. Sin embargo, algunas teorías propuestas incluyen teorías que han existido durante décadas y han eludido los métodos de descubrimiento y prueba. Las teorías propuestas pueden incluir teorías marginales en el proceso de establecerse (y, a veces, ganar una aceptación más amplia). Las teorías propuestas por lo general no han sido probadas. Además de las teorías como las que se enumeran a continuación, también existen diferentes interpretaciones de la mecánica cuántica, que pueden o no considerarse teorías diferentes, ya que es discutible si producen predicciones diferentes para los experimentos físicos, incluso en principio.

Ejemplos

• 6D (2,0) teoría del campo superconforme
• Correspondencia AdS/CFT
• Alternativas a la relatividad general
• principio antrópico
• Termodinámica del agujero negro
• Cosmología de brana
• Teoría de Brans-Dicke
• Gravedad cuántica canónica
• Triangulación dinámica causal
• Sistemas de fermiones causales
• Conjuntos causales
• Teoría de Chern-Simons
• Curva temporal cerrada
• Cosmología cíclica conforme
• Teoría de campos conformes
• cuerda cósmica
• modelo cíclico
• flujo oscuro
• fluido oscuro
• Relatividad especial invariante de De Sitter
• Dilatón
• Relatividad doblemente especial
• Puente Einstein-Rosen (agujero de gusano)
• Universo ekpirótico
• ER = EPR
• Inflación eterna
• Dimensiones adicionales
• falso vacío
• quinta fuerza
• teoría f
• Teoría de la gravitación de calibre
• Teoría de calibre gravedad
• geon
• Gran Teoría Unificada
• Gravastar
• Gravifotón
• graviscalar
• gravitino
• Gravitón
• Radiación de Hawking
• Estado de Hartle-Hawking
• Teoría de cuerdas heteróticas
• Principio holográfico
• Teoría de Kaluza-Klein
• Grandes dimensiones adicionales
• Cosmología cuántica de bucles
• Gravedad cuántica de bucles
• monopolo magnético
• Gravedad masiva
• Materia de espejo
• teoría M
• multiverso
• N = 4 teoría supersimétrica de Yang-Mills
• Teoría cuántica de campos no conmutativa
• Modelos de agujeros negros no singulares
• decaimiento de protones
• Cosmología cuántica
• Espuma cuántica
• geometría cuántica
• Gravedad cuántica
• Modelo de Randall-Sundrum
• Gravedad semiclásica
• esfalerón
• Espuma giratoria
• Teoria de las cuerdas
• Teoría del vacío superfluido
• supergravedad
• Teoría de supercuerdas
• supersimetría
• Ruptura de supersimetría
• Technicolor
• teoría del todo
• Toda la teoría del campo
• Teoría del campo unificado
• Dimensiones adicionales universales
• Física de partículas
• Conjetura de gravedad débil

Teorías marginales

Las teorías marginales incluyen cualquier área nueva de esfuerzo científico en proceso de establecerse y algunas teorías propuestas. Puede incluir ciencias especulativas. Esto incluye campos de la física y teorías físicas presentadas de acuerdo con evidencia conocida, y se ha realizado un conjunto de predicciones asociadas de acuerdo con esa teoría.

Algunas teorías marginales se convierten en una parte ampliamente aceptada de la física. Otras teorías marginales terminan siendo refutadas. Algunas teorías marginales son una forma de protociencia y otras son una forma de pseudociencia. La falsificación de la teoría original a veces conduce a la reformulación de la teoría.

Ejemplos

• Éter (elemento clásico)
  • Éter luminífero
• física digital
• electrogravedad
• Electrodinámica estocástica
• Teoría dinámica de la gravedad de Tesla

Experimentos mentales versus experimentos reales

Los experimentos "pensados" son situaciones creadas en la mente de uno, que hacen una pregunta similar a "supongamos que se encuentra en esta situación, suponiendo que sea cierto, ¿qué seguiría?". Por lo general, se crean para investigar fenómenos que no se experimentan fácilmente en situaciones cotidianas. Ejemplos famosos de tales experimentos mentales son el gato de Schrödinger, el experimento mental EPR, ilustraciones simples de la dilatación del tiempo, etc. Estos generalmente conducen a experimentos reales diseñados para verificar que la conclusión (y, por lo tanto, las suposiciones) de los experimentos mentales son correctas. El experimento mental EPR condujo a las desigualdades de Bell, que luego se probaron con varios grados de rigor, lo que llevó a la aceptación de la formulación actual de la mecánica cuántica y el probabilismo como hipótesis de trabajo.