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이론 물리학

Theoretical physics
슈바르츠실트 웜홀의 시각적 표현.웜홀은 관찰된 적이 없지만 수학적 모형과 과학 이론을 통해 존재할 것으로 예측된다.

이론물리학은 자연현상을 합리화, 설명, 예측하기 위해 물리적인 물체와 시스템의 수학적 모델과 추상화를 사용하는 물리학의 한 분야이다.이것은 이러한 현상을 조사하기 위해 실험 도구를 사용하는 실험 물리학과는 대조적입니다.

과학의 진보는 일반적으로 실험 연구와 이론 사이의 상호작용에 의존한다.어떤 경우에 이론 물리학은 실험과 [a]관찰에 거의 무게를 두지 않으면서 수학적 엄격함의 표준을 고수한다.예를 들어, 특수 상대성 이론을 개발하는 동안, 알버트 아인슈타인은 맥스웰의 방정식을 불변하게 한 로렌츠 변환에 관심을 가졌지만, 분명히 빛이 나는 [1]에테르를 통해 지구의 표류에 대한 Michelson-Morley 실험에는 관심이 없었다.반대로 아인슈타인은 이전에 이론적인 [2]공식이 결여된 실험 결과였던 광전 효과를 설명한 공로로 노벨상을 받았다.

개요

물리 이론은 물리적인 사건의 모델이다.예측이 경험적 관찰과 일치하는 정도에 따라 판단됩니다.물리 이론의 질은 또한 새로운 관측에 의해 검증될 수 있는 새로운 예측을 하는 능력으로 판단된다.물리 이론은 수학적 정리와는 다른데, 두 이론 모두 어떤 형태의 공리에 기초하지만 수학적 적용가능성의 판단은 [3][4]어떤 실험결과와도 일치하는 것에 기초하지 않는다는 것이다.물리 이론은 수학적인 용어로 [b]"이론"이라는 단어가 다른 의미를 가지고 있다는 점에서 수학 이론과 유사하다.

시공간 곡률을 설명하기 위해 일반 상대성 이론에서 사용되는 아인슈타인 다양체의 방정식

물리 이론은 다양한 측정 가능한 양 사이의 하나 이상의 관계를 포함한다.아르키메데스는 배가 물의 질량을 바꾸면서 뜬다는 것을 깨달았고, 피타고라스는 진동하는 현의 길이와 그것이 만들어내는 [5][6]음색 사이의 관계를 이해했다.다른 예로는 눈에 보이지 않는 입자의 위치와 움직임에 관한 불확실성의 척도로서의 엔트로피와 (작용과) 에너지가 연속적으로 가변적이지 않다는 양자역학적 생각을 들 수 있다.

이론 물리학은 몇 가지 다른 접근법으로 구성되어 있다.이런 점에서 이론적인 입자물리학이 좋은 본보기가 된다.예를 들어, "현상학자들"은 종종 깊은 물리적 [c]이해 없이 실험 결과에 동의하기 위해 (반) 경험 공식과 휴리스틱스를 사용할 수 있다."모델러" ("모델 구축자"라고도 함)는 종종 현상학자처럼 보이지만, (실험 데이터가 아닌) 특정한 바람직한 특징을 가진 추측 이론을 모델링하거나 수학 모델링 기술을 물리학 [d]문제에 적용하려고 한다.어떤 사람들은 완전히 발달된 이론들이 해결 불가능하거나 너무 복잡하다고 여겨질 수 있기 때문에 효과적인 이론이라고 불리는 대략적인 이론을 만들려고 시도한다.다른 이론가들은 현존하는 이론을 통합하거나, 공식화하거나, 재해석하거나, 일반화하거나,[e] 완전히 새로운 이론을 창조하려고 할 수도 있다.때때로 순수 수학 시스템에 의해 제공되는 비전은 물리적 시스템이 어떻게 [f]모델링될 수 있는지에 대한 단서를 제공할 수 있습니다. 예를 들어, 리만과 다른 것들로 인해, 공간 자체가 구부러질 수 있다는 개념입니다.컴퓨터 조사가 필요한 이론적인 문제는 종종 컴퓨터 물리학의 관심사이다.

이론적인 진보는 오래되고 부정확한 패러다임(예를 들어, 빛의 전파에 관한 에테르 이론, 열의 열량 이론, 진화하는 프로지스톤으로 구성된 연소 또는 지구 주위를 회전하는 천체)을 제쳐두고 더 정확하거나 더 널리 적용될 수 있는 대안 모델이 될 수 있다.후자의 경우 이전에 알려진 결과를 [7][8]복구하기 위해 대응 원칙이 필요합니다.그러나 때로는 진보가 다른 경로를 따라 진행될 수도 있습니다.예를 들어, 근본적으로 올바른 이론은 개념적이거나 사실적인 수정이 필요할 수 있다; 수천 년 전에 처음으로 가정된 원자 이론과 이 점에서 2유체 전기 이론은[9] 두 가지 경우이다.그러나 위의 모든 것에 대한 예외는 파동-입자 이중성인데, 이는 보어 상보성 원리를 통해 서로 다른 반대되는 모델의 측면을 결합하는 이론이다.

수학과 물리학의 관계

물리 이론은 정확한 예측을 할 수 있고 틀린 예측이 없을 때(또는 몇 개 없을 때) 받아들여진다.이 이론은 적어도 부차적인 목표로서, 13세기 영국 철학자 Occam의 윌리엄(또는 Ockham)의 이름을 따서 "Occam's 면도기"라고 불리는 특정한 경제와 우아함을 가져야 하며, 같은 문제를 적절히 기술하는 두 가지 이론 중 더 단순한 것이 선호된다.계산적 단순성은 [10]수학적 복잡성을 의미할 수 있습니다.또한 광범위한 현상을 연결하면 더 쉽게 받아들여질 수 있습니다.이론의 결과를 테스트하는 것은 과학적 방법의 일부이다.

물리 이론은 세 가지 범주로 분류될 수 있다: 주류 이론, 제안 이론, 그리고 프린지 이론.

역사

상세 정보:물리학의 역사

이론 물리학은 적어도 2,300년 전, 소크라테스 이전의 철학에서 시작되었고 플라톤과 아리스토텔레스에 의해 계속되었고, 플라톤과 아리스토텔레스는 그들의 견해를 천 년 동안 지배했다.중세 대학들이 부상하는 동안, 유일하게 인정된 지적 분야는 문법, 논리학, 수사학 같은 트라이비움과 산수, 기하학, 음악, 천문학 같은 쿼드리비움의 7개 교양이었다.중세와 르네상스 기간 동안 이론의 대척점인 실험과학의 개념은 이븐 알-헤이담과 프란시스 베이컨과 같은 학자들과 함께 시작되었다.과학 혁명이 속도를 내면서 물질, 에너지, 공간, 시간, 인과관계의 개념이 오늘날 우리가 알고 있는 형태를 서서히 획득하기 시작했고, 다른 과학들은 자연 철학의 중심에서 분리되었다.그리하여 천문학의 코페르니쿠스적 패러다임의 변화와 함께 현대 이론의 시대가 시작되었고, 곧이어 행성 궤도에 대한 요하네스 케플러의 표현들이 티코 브라헤의 세심한 관찰을 요약했다; 이 사람들의 작품은 아마도 과학 혁명을 구성하는 것으로 여겨질 수 있다.

현대적 개념의 설명에 대한 큰 추진은 완벽한 이론가이자 위대한 실험가였던 몇 안 되는 물리학자 중 한 명인 갈릴레오에서 시작되었다.데카르트의 해석적 기하학과 역학은 아이작 뉴턴의 미적분과 역학에 통합되었다. 그는 가장 높은 순위의 이론가이자 실험가인 프린키피아 [11]매스매티카를 썼다.이 책에는 코페르니쿠스, 갈릴레오, 케플러의 작품과 20세기 초까지 세계관으로 지배했던 뉴턴의 역학과 중력 이론의 거대한 합성이 담겨 있었다.동시에, 뉴턴, 데카르트와 네덜란드인 스넬과 호이겐스에 의해 광학 분야(특히 색 이론과 기하학 광학의 고대 과학)에서도 진보가 이루어졌다.18세기와 19세기에 조셉-루이 라그랑주, 레온하르트 오일러, 윌리엄 로완 해밀턴은 고전역학 이론을 상당히 [12]확장시켰다.그들은 피타고라스가 2천 년 전에 시작한 수학과 물리학의 상호작용을 발견했다.

19세기와 20세기의 위대한 개념적 업적 중 하나는 열, 전기, 자기, 그리고 빛을 포함시킴으로써 에너지라는 개념을 통합한 것입니다.열역학의 법칙, 그리고 가장 중요한 것은 엔트로피의 단일한 개념의 도입이 물질의 특성에 대한 거시적인 설명을 제공하기 시작했다.통계역학(통계물리학과 양자통계역학)은 19세기 후반에 열역학의 분파로 등장했다.19세기의 또 다른 중요한 사건은 전자파 이론의 발견으로, 이전에 분리된 전기, 자기, 빛의 현상을 통합하였다.

현대 물리학의 기둥이자 아마도 물리학 역사상 가장 혁명적인 이론은 상대성 이론과 양자 역학이었다.뉴턴 역학은 특수상대성이론에 포함되었고 뉴턴의 중력은 일반상대성이론에 의해 운동학적 설명을 받았다.양자역학은 흑체복사에 대한 이해와 고체의 특정 열에서의 이상에 대한 이해로 이어졌고, 마침내 원자와 분자의 내부 구조를 이해하게 되었다.양자역학은 곧 1920년대 후반에 시작된 양자장 이론의 공식에 자리를 내주었다.제2차 세계대전의 여파로, 초기 노력 이후 침체되어 온 QFT에 대한 관심이 더욱 높아졌습니다.같은 시기에 초전도 및 상전이의 문제에 대한 새로운 공격과 더불어 이론적인 응축 물질 분야에서 QFT의 첫 번째 적용도 볼 수 있었다.1960년대와 70년대는 각각 천문학 및 우주론 문제에 대한 상대성 이론의 적용과 병행하여 QFT를 이용한 입자 물리 표준 모델의 공식화와 응축 물질 물리학(초전도 및 임계 현상의 이론적 기반)의 발전을 보았다.

이러한 모든 성과는 실험을 제안하고 결과를 통합하기 위한 원동력으로서 이론 물리학에 의존했다.-종종 기존 수학의 기발한 응용에 의해서, 또는 데카르트와 뉴턴의 경우처럼, 새로운 수학을 발명함으로써.푸리에의 열전도 연구는 수학의 새로운 분야인 무한 직교 급수를 이끌었다.[13]

현대 이론 물리학은 우주론에서 소립자 규모에 이르기까지 우주를 이해하기 위한 추가적인 시도로 이론을 통합하고 현상을 설명하려고 시도합니다.실험을 할 수 없는 곳에서는 이론물리학은 여전히 수학적 모델을 사용하여 발전하려고 한다.

주류 이론

주류 이론(가끔 중심 이론이라고도 함)은 사실과 과학적 관점 모두에 대한 지식의 집합체이며, 기존의 잘 확립된 과학 및 실험과의 일관성, 반복성 테스트에 대한 일반적인 과학적 품질을 가지고 있다.검출, 설명, 가능한 구성이 논쟁의 대상이지만, 다양한 데이터를 설명하는 효과만을 바탕으로 일반적으로 받아들여지고 있는 주류 이론이 존재한다.

예

제안된 이론

제안된 물리학 이론은 일반적으로 과학적 접근법, 모델의 타당성을 결정하기 위한 수단, 그리고 이론에 도달하기 위해 사용되는 새로운 유형의 추론을 포함하는 물리학의 연구를 다루는 비교적 새로운 이론입니다.하지만, 몇몇 제안된 이론들은 수십 년 동안 존재해 왔고 발견과 테스트의 방법을 피해 온 이론들을 포함한다.제안된 이론은 확립되는 과정에서 (때로는 더 폭넓게 받아들여지는) 프린지 이론을 포함할 수 있다.제안된 이론들은 보통 검증되지 않았다.아래에 열거된 이론들 외에도, 양자역학에 대한 다른 해석들도 있는데, 양자역학은 이론적으로도 물리실험에 대해 다른 예측을 할 수 있는지는 논란의 여지가 있기 때문에 다른 이론으로 여겨질 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.

예

프린지 이론

프린지 이론은 확립되는 과정에서 과학적 노력의 새로운 영역과 제안된 이론을 포함한다.여기에는 투기과학을 포함할 수 있습니다.여기에는 알려진 증거에 따라 제시된 물리학 분야와 물리 이론이 포함되며, 그 이론에 따라 일련의 관련 예측이 이루어졌다.

일부 프린지 이론은 물리학에서 널리 받아들여지는 부분이 되었다.다른 비주류 이론들은 결국 반증된다.어떤 프린지 이론은 원시과학의 한 형태이고 다른 것들은 의사과학의 한 형태이다.원래 이론의 왜곡은 때때로 이론의 개편으로 이어진다.

예

사고실험 vs 실제실험

주요 기사:사고 실험

"생각" 실험은 "만약 당신이 이 상황에 있다면, 그것이 사실이라면, 무엇이 뒤따를 것인가?"와 유사한 질문을 하는 사람의 마음 속에서 만들어진 상황입니다.일반적으로 일상적인 상황에서 쉽게 경험하지 못하는 현상을 조사하기 위해 작성됩니다.그러한 사고 실험의 유명한 예로는 슈뢰딩거의 고양이, EPR 사고 실험, 시간 확장에 대한 간단한 삽화 등이 있다.이것은 보통 사고 실험의 결론(따라서 가정)이 맞는지 검증하기 위해 고안된 실제 실험으로 이어집니다.EPR 사고 실험은 벨 부등식으로 이어졌고, 벨 부등식은 다양한 엄격도로 테스트되었고, 양자 역학과 확률론의 현재 공식을 작업 가설로 받아들이게 되었다.

「 」를 참조해 주세요.

메모들

  1. ^ 이론 물리학이 물리적인 통찰력을 얻기 위해 수학을 사용하는지 아닌 (특히 정상적인 경험이 실패했을 때) 물리적인 통찰력을 얻기 위해 사용하는지에 대한 논란이 있다.이것은 수학 물리보다 덜 형식적으로 덜 엄격하고 직관적이거나 휴리스틱한 방법으로 수학을 사용하는 것에 대한 의문에 연결된다.
  2. ^ 때때로 "이론"이라는 단어는 과학 이론을 설명하는 것이 아니라 연구 분야와 프로그램을 설명하기 위해 모호하게 사용될 수 있다.예: 상대성 이론, 양자장 이론, 끈 이론.
  3. ^ 분광학에서의 요한 발머와 요하네스 리드버그의 연구와 핵물리학의 반경험적 질량 공식은 이 접근방식의 좋은 후보이다.
  4. ^ 태양계의 프톨레마이오스와 코페르니쿠스 모형, 수소 원자의 보어 모형, 핵 껍질 모형은 이 접근법의 좋은 예입니다.
  5. ^ 물리학의 가장 유명한 이론은 다음과 같습니다.뉴턴의 중력 이론, 아인슈타인의 상대성 이론, 그리고 맥스웰의 전자기학 이론은 이러한 속성들 중 일부를 공유합니다.
  6. ^ 이 접근법은 종종 수학자와 수리 물리학자들이 선호한다.

레퍼런스

  1. ^ van Dongen, Jeroen (2009). "On the role of the Michelson-Morley experiment: Einstein in Chicago". Archive for History of Exact Sciences. 63 (6): 655–663. arXiv:0908.1545. doi:10.1007/s00407-009-0050-5.
  2. ^ "The Nobel Prize in Physics 1921". The Nobel Foundation. Retrieved 2008-10-09.
  3. ^ 2014년 8월 19일 샘 넬슨 웨이백 머신에서 보관된 정리 및 이론.
  4. ^ Mark C. Chu-Carroll, 2007년 3월 13일:정리, 레마스 및 결과.좋은 수학 블로그, 나쁜 수학 블로그.
  5. ^ Singiresu S. Rao (2007). Vibration of Continuous Systems (illustrated ed.). John Wiley & Sons. 5,12. ISBN 978-0471771715. ISBN 9780471771715
  6. ^ Eli Maor (2007). The Pythagorean Theorem: A 4,000-year History (illustrated ed.). Princeton University Press. pp. 18–20. ISBN 978-0691125268. ISBN 9780691125268
  7. ^ 보쿨리치, 알리사, "보어의 통신 원리", 스탠포드 철학 백과사전(2014년 봄판), 에드워드 N. 잘타(ed)
  8. ^ Enc. Britanica(1994), 페이지 844.
  9. ^ Enc. Britanica (1994), 페이지 834.
  10. ^ 과학철학의 단순성(2014년 8월 19일 회수), 인터넷 철학 백과사전.
  11. ^ '아이작 뉴턴의 대응, vol.2, 1676–1687'을 참조하십시오.H W Turnbull, 캠브리지 대학 출판부 1960; 문서 번호 297에 있는 문서 번호 235, 1679년 11월 24일자 훅이 뉴턴에게 보낸 편지.
  12. ^ Penrose, R (2004). The Road to Reality. Jonathan Cape. p. 471.
  13. ^ Penrose, R (2004). "9: Fourier decompositions and hyperfunctions". The Road to Reality. Jonathan Cape.

추가 정보

  • Physical Sciences. Encyclopædia Britannica (Macropaedia). Vol. 25 (15th ed.). 1994.
  • 뒤엠, 피에르"라테오리 체격 - Son Objet, sa structure" (프랑스어).제2판 - 1914년영어 번역: "물리 이론 - 그 목적, 구조"조셉 브린 철학 서점(1981년)에 의해 재발행된 ISBN 2711602214.
  • 파인만 등"파인만 물리학 강의" (3권).초판:애디슨-웨슬리(1964, 1966)
물리학을 다룬 3권짜리 베스트셀러 교과서.대학원생과 전문 연구원 모두에게 참고 자료입니다.
물리학의 이론적 개념을 다룬 유명한 일련의 책들은 10권이며, 여러 언어로 번역되어 여러 판에 걸쳐 전재되었다.문헌에서는 단순히 '란다우와 라이프치트' 또는 '란다우-리프치트'로 알려져 있습니다.
1909년에 콜롬비아 대학에서 강의한 세트.
  • 소머펠트, 아놀드"Vorlesungen über regontische Physik"(이론 물리학 강의)독일어, 6권.
이론 물리학자 마스터 교육자의 일련의 교훈입니다.

외부 링크

Wikibooks는 다음 주제에 관한 책을 가지고 있습니다.이론 물리학 입문