Основное

Теоретическая физика — это раздел физики, который использует математические модели и абстракции для объяснения и предсказания природных явлений.
Она применяет математические уравнения и формулы для представления физических систем и процессов, в отличие от экспериментальной физики, которая опирается на прямые наблюдения и измерения.
Цель теоретической физики — понять фундаментальные законы и принципы, которые управляют поведением материи и энергии, от самых маленьких субатомных частиц до самых крупных структур во Вселенной.
Пример: Теория общей относительности Альберта Эйнштейна объясняет гравитацию как искривление пространства-времени, вызванное наличием массы и энергии, что подтверждено наблюдениями гравитационных линз и черных дыр.

Термины

• Физика - Наука, изучающая материю, энергию и взаимодействия между ними. Это фундаментальная научная дисциплина, стремящаяся понять законы природы. Пример: Изучение движения планет в солнечной системе с использованием законов физики.

• Экспериментальная физика - Отрасль физики, которая включает проведение экспериментов для изучения свойств физических систем. Пример: Использование ускорителей частиц для изучения свойств субатомных частиц.

• Математическая модель - Набор уравнений или формул, представляющих физическую систему или процесс. Пример: Уравнение Шредингера в квантовой механике описывает поведение частиц на субатомном уровне.

• Абстракция - Упрощенное или идеализированное представление сложной физической системы, которое захватывает ее основные характеристики. Пример: Моделирование газа как совокупности одинаковых, невзаимодействующих частиц.

• Фундаментальный закон - Основной принцип, который не может быть выведен из других законов и принимается за истину на основе эмпирических данных. Пример: Закон сохранения энергии, который гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, только преобразована из одной формы в другую.

• Субатомная частица - Частица, меньшая, чем атом, такая как электрон, протон или кварк. Пример: Бозон Хиггса, частица, придающая массу другим частицам, была предсказана теоретическими физиками и обнаружена экспериментально в 2012 году.

Аналогия

Теоретическая физика похожа на изучение предмета в классе с использованием учебников и лекций для понимания концепций и решения задач, а не на проведение экспериментов в лаборатории или на поле.
Так же, как студенты используют теоретические знания для понимания сложных предметов и предсказания результатов на экзаменах, теоретические физики используют математические модели для понимания сложных физических явлений и предсказания результатов экспериментов.
Пример: Студент использует законы движения, изученные на занятиях, для решения задачи на экзамене о предсказании траектории снаряда.

Распространенное заблуждение

Многие считают, что теоретическая физика абсолютно абстрактна и не имеет практического применения.
Однако теоретическая физика привела к многим технологическим прорывам, на которые мы опираемся каждый день, от разработки лазера и транзистора до системы GPS и магнитно-резонансной томографии (МРТ).
Пример: Уравнения электромагнетизма, разработанные Джеймсом Клерком Максвеллом в 19 веке, заложили основу для разработки радио, телевидения и беспроводной связи.

История

1. В 17 веке Исаак Ньютон разработал законы движения и всемирного тяготения, которые предоставили математическую основу для понимания поведения объектов на Земле и на небесах.

2. В 19 веке физики, такие как Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл, разработали теорию электромагнетизма, которая объединила концепции электричества, магнетизма и света.

3. В начале 20 века Альберт Эйнштейн разработал теории специальной и общей относительности, которые радикально изменили наше понимание пространства, времени и гравитации.

4. В 1920-х и 1930-х годах физики, такие как Вернер Гейзенберг и Эрвин Шрёдингер, разработали квантовую механику, которая описывает поведение материи и энергии на субатомном уровне.

5. Во второй половине 20 века теоретические физики разработали Стандартную модель физики частиц, которая описывает фундаментальные частицы и силы, составляющие Вселенную.

Три случая, как использовать это прямо сейчас

1. Студент использует законы движения Ньютона для расчета траектории баскетбольного мяча, брошенного под определенным углом и со скоростью, чтобы предсказать, где мяч приземлится и как нацелить свой бросок.

2. Инженер использует уравнения Максвелла для проектирования антенны для новой системы беспроводной связи.

3. Медицинский физик использует принципы ядерной физики для разработки нового метода лучевой терапии для пациентов с раком.

Интересные факты

• Система GPS опирается на теорию относительности Эйнштейна для точного расчета положения спутников и времени их сигналов, которые изменяются из-за искривления пространства-времени под влиянием массы Земли.

• Открытие бозона Хиггса в 2012 году подтвердило ключевое предсказание Стандартной модели физики частиц, согласно которой поле, пронизывающее все пространство, придает частицам массу.

• Квантовая запутанность, явление, предсказанное квантовой механикой, позволяет двум частицам быть связанными на огромные расстояния так, что измерение свойств одной частицы мгновенно влияет на другую, даже если они находятся на расстоянии световых лет друг от друга.

• Концепция антиматерии, состоящей из частиц с такой же массой, но противоположным зарядом по сравнению с обычным веществом, была впервые предсказана теоретическим физиком Полом Дираком в 1928 году и с тех пор наблюдалась экспериментально в ускорителях частиц.

• Изучение черных дыр, областей пространства, где гравитация настолько сильна, что ничто не может из них вырваться, привело к развитию новых отраслей теоретической физики, таких как квантовая гравитация и теория струн, которые пытаются объединить квантовую механику и общую теорию относительности.