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 investigar estos fenómenos.
El avance de la ciencia depende generalmente 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 que da poco peso a los experimentos y las observaciones. [a] 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 . [1] Por el contrario, Einstein recibió el Premio Nobel por explicar el efecto fotoeléctrico , previamente un resultado experimental que carecía de una formulación teórica. [2]
Una teoría física es un modelo de eventos físicos. Se juzga por el grado en que sus predicciones concuerdan con las observaciones empíricas. La calidad de una teoría física también se juzga por su capacidad de hacer nuevas predicciones que puedan verificarse mediante nuevas observaciones. Una teoría física se diferencia de un teorema matemático en que, si bien ambas se basan en alguna forma de axiomas , el juicio de aplicabilidad matemática no se basa en la concordancia con ningún resultado experimental. [3] [4] Una teoría física difiere de una teoría matemática de manera similar , en el sentido de que la palabra "teoría" tiene un significado diferente en términos matemáticos. [b]
Las ecuaciones de una variedad de Einstein , utilizadas en la relatividad general para describir la curvatura del espacio-tiempo.
Una teoría física implica una o más relaciones entre varias cantidades mensurables. Arquímedes se dio cuenta de que un barco flota desplazando su masa de agua, Pitágoras comprendió la relación entre la longitud de una cuerda vibrante y el tono musical que produce. [5] [6] Otros ejemplos incluyen la entropía como medida de la incertidumbre con respecto a las posiciones y movimientos de partículas invisibles y la idea de la 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 concordar con los resultados experimentales, a menudo sin un profundo conocimiento físico . [c] 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 basarse en datos experimentales), o aplicar las técnicas de modelado matemático a problemas de física. [d] Algunos intentan crear teorías aproximadas, llamadas teorías efectivas , porque las teorías completamente desarrolladas pueden considerarse irresolubles o demasiado complicadas . Otros teóricos pueden intentar unificar , formalizar, reinterpretar o generalizar teorías existentes, o crear teorías completamente nuevas. [e] A veces, la visión proporcionada por los sistemas matemáticos puros puede proporcionar pistas sobre cómo se puede modelar un sistema físico; [f] Por ejemplo, la noción, debida a Riemann y otros, de que el espacio mismo podría ser curvo. Los problemas teóricos que requieren investigación computacional son a menudo objeto 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 combustión consistente en la evolución del flogisto o los cuerpos astronómicos que giran alrededor de la Tierra ) o pueden ser un modelo alternativo que proporcione respuestas más precisas o que puedan aplicarse más ampliamente. En el último caso, se requerirá un principio de correspondencia para recuperar el resultado previamente conocido . [7] [8] Sin embargo, a veces, los avances pueden proceder 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 dos fluidos de la electricidad [9] 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 modelos diferentes y 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, una cierta economía y elegancia (comparada con la belleza matemática ), una noción a veces llamada " navaja de Occam " en honor al filósofo inglés del siglo XIII Guillermo de Occam (u Ockham), en la que se prefiere la más simple de dos teorías que describan la misma materia con la misma adecuación (pero la simplicidad conceptual puede significar complejidad matemática). [10] También es más probable que sean aceptadas 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 dominantes , teorías propuestas y teorías marginales .
La física teórica comenzó hace al menos 2.300 años, bajo la filosofía presocrática , y fue continuada por Platón y Aristóteles , cuyas opiniones prevalecieron durante un milenio. Durante el auge de las universidades medievales , las únicas disciplinas intelectuales reconocidas eran las siete artes liberales del Trivium , como la gramática , la lógica y la 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 eruditos como Ibn al-Haytham y Francis Bacon . A medida que la Revolución científica cobraba impulso, los conceptos de materia , energía, espacio, tiempo y causalidad comenzaron lentamente a adquirir la forma que conocemos hoy, y otras ciencias se desprendieron de la rúbrica de la filosofía natural . Así comenzó la era moderna de la teoría con el cambio de paradigma copernicano en astronomía, pronto seguido por las expresiones de Johannes Kepler para las órbitas planetarias, que resumían las meticulosas observaciones de Tycho Brahe ; las obras de estos hombres (junto con las de Galileo) tal vez puedan considerarse como la Revolución científica.
El gran impulso hacia el concepto moderno de explicación comenzó con Galileo , uno de los pocos físicos que fue a la vez un teórico consumado y un gran experimentalista . La geometría analítica y la mecánica de Descartes se incorporaron al cálculo y la mecánica de Isaac Newton , otro teórico/experimentalista del más alto orden, que escribió Principia Mathematica . [11] En él contenía una gran síntesis del trabajo de Copérnico, Galileo y Kepler; así como las teorías de Newton de la mecánica y la gravitación, que prevalecieron como visiones del mundo hasta principios del siglo XX. Simultáneamente, también se produjeron avances 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. [12] Retomaron la interrelación interactiva entre matemáticas y física iniciada dos milenios antes por Pitágoras.
Entre los grandes logros conceptuales de los siglos XIX y XX se encuentran 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 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 por la física estadística y la mecánica estadística cuántica ) surgió como una rama de la termodinámica a finales 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 en la historia de la física, han sido la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica . La mecánica newtoniana fue subsumida bajo la relatividad especial y la gravedad de Newton recibió una explicación cinemática por la relatividad general . La mecánica cuántica condujo a una 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 una 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 trajo consigo un renovado interés en la QFT, que desde los primeros esfuerzos se había estancado. El mismo período también vio nuevos ataques a los problemas de la superconductividad y las transiciones de fase, así como las primeras aplicaciones de la QFT en el área de la materia condensada teórica. En los años 1960 y 1970 se produjo la formulación del modelo estándar de física de partículas utilizando QFT y el progreso en la física de la materia condensada ( fundamentos teóricos de la superconductividad y fenómenos críticos , entre otros ), en paralelo a las aplicaciones de la relatividad a problemas de astronomía y cosmología respectivamente .
Todos estos logros dependían 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 infinitas ortogonales . [13]
La física teórica moderna intenta unificar teorías y explicar fenómenos en un intento de comprender el Universo , desde la escala cosmológica hasta la de partículas elementales . Cuando no es posible realizar experimentos, la física teórica intenta avanzar mediante el uso de modelos matemáticos.
Las teorías dominantes (a veces denominadas teorías centrales ) son el conjunto de conocimientos de puntos de vista tanto fácticos como científicos y poseen una calidad científica habitual en las pruebas de repetibilidad, coherencia con la ciencia y la experimentación existentes y bien establecidas. Existen teorías dominantes 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.
Las teorías propuestas de la física son generalmente teorías relativamente nuevas que tratan 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 proceso de establecerse (y, a veces, ganando una aceptación más amplia). Las teorías propuestas generalmente no han sido probadas. Además de las teorías como las que se enumeran a continuación, también hay diferentes interpretaciones de la mecánica cuántica , que pueden o no considerarse teorías diferentes, ya que es discutible si producen diferentes predicciones para experimentos físicos, incluso en principio. Por ejemplo, correspondencia AdS/CFT , teoría de Chern-Simons , gravitón , monopolo magnético , teoría de cuerdas , teoría del todo .
Las teorías marginales incluyen cualquier área nueva de la actividad científica en proceso de consolidación y algunas teorías propuestas. Pueden incluir ciencias especulativas. Esto incluye campos de la física y teorías físicas presentadas de acuerdo con evidencia conocida, y un conjunto de predicciones asociadas que se han realizado de acuerdo con esa teoría.
Algunas teorías marginales llegan a ser ampliamente aceptadas en 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.
Los experimentos mentales son situaciones creadas en la mente de una persona, en las que se plantea una pregunta similar a "supongamos que usted se encuentra en esta situación, suponiendo que tal cosa es cierta, ¿qué sucedería?". 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 dilatación del tiempo , etc. Estos suelen conducir 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 diversos grados de rigor , lo que llevó a la aceptación de la formulación actual de la mecánica cuántica y el probabilismo como hipótesis de trabajo .
