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 generalmente depende de la interacción entre los estudios experimentales y la teoría . En algunos casos, la física teórica se adhiere a estándares de rigor matemático y da poca importancia a los experimentos y observaciones. [a] Por ejemplo, mientras desarrollaba la relatividad especial , Albert Einstein estaba preocupado por la transformación de Lorentz que dejaba invariantes 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 , que hasta entonces era un resultado experimental que carecía de 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 para hacer nuevas predicciones que puedan verificarse mediante nuevas observaciones. Una teoría física se diferencia de un teorema matemático en que, si bien ambos se basan en algún tipo de axiomas , el juicio de aplicabilidad matemática no se basa en la concordancia con ningún resultado experimental. [3] [4] Una teoría física difiere igualmente de una teoría matemática , 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 comprendió 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 " podrían emplear fórmulas ( semi ) empíricas y heurísticas para estar de acuerdo con los resultados experimentales, a menudo sin una comprensión física profunda . [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 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 otras completamente nuevas. [e] A veces, la visión proporcionada por los sistemas matemáticos puros puede proporcionar pistas sobre cómo se podría 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 necesitan investigación computacional suelen ser competencia de la física computacional .
Los avances teóricos pueden consistir en dejar de lado viejos e incorrectos paradigmas (p. ej., la teoría del éter de la propagación de la luz, la teoría calórica del calor, la quema consistente 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 sean más precisos o que puedan aplicarse más ampliamente. En este último caso, será necesario un principio de correspondencia para recuperar el resultado previamente conocido . [7] [8] Sin embargo, a veces 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 [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, cierta economía y elegancia (en comparación 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 la Se prefiere la más simple de dos teorías que describen el mismo asunto de manera igualmente adecuada (pero la simplicidad conceptual puede significar complejidad matemática). [10] 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 convencionales , 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 gramática , lógica y retórica , y del Quadrivium, como aritmética , geometría , música y astronomía . Durante la Edad Media y el Renacimiento , el concepto de ciencia experimental , el contrapunto a la teoría, se inició con eruditos como Ibn al-Haytham y Francis Bacon . A medida que la Revolución Científica se aceleró, los conceptos de materia , energía, espacio, tiempo y causalidad comenzaron lentamente a adquirir la forma que conocemos hoy, y otras ciencias surgieron 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 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 era 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 nivel, que escribió los Principia Mathematica . [11] En él figuraba una gran síntesis de la obra de Copérnico, Galileo y Kepler; así como las teorías de la mecánica y la gravitación de Newton, que prevalecieron como visiones del mundo hasta principios del siglo XX. Al mismo tiempo, también se lograron avances en la 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] Recogieron el entrelazamiento interactivo de las matemáticas y la física iniciado 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 de la física estadística y la mecánica estadística cuántica ) surgió como una rama de la termodinámica a finales del siglo XIX. Otro acontecimiento importante del siglo XIX fue el descubrimiento de la teoría electromagnética , que unificó 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 quedó subsumida bajo la relatividad especial y la gravedad de Newton recibió una explicación cinemática mediante 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 finales de la década de 1920. Después de la Segunda Guerra Mundial, un mayor progreso trajo un interés renovado en QFT, que se había estancado desde los primeros esfuerzos. En el mismo período también se produjeron nuevos ataques a los problemas de la superconductividad y las transiciones de fase, así como las primeras aplicaciones de QFT en el campo de la materia condensada teórica. Las décadas de 1960 y 1970 vieron la formulación del modelo estándar de física de partículas utilizando QFT y avances 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 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 . [13]
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 realizar experimentación, la física teórica todavía intenta avanzar mediante el uso de modelos matemáticos.
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 que se basan únicamente en sus efectos y explican una amplia variedad de datos, aunque la detección, explicación y posible composición son temas de debate.
Las teorías de la física propuestas suelen ser teorías relativamente nuevas que se ocupan del estudio de la física e 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, de ganar una aceptación más amplia). Las teorías propuestas normalmente 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 considerarse teorías diferentes o no, ya que es discutible si producen predicciones diferentes 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 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 llegan a convertirse en una parte ampliamente aceptada de la física. Otras teorías marginales acaban siendo refutadas. Algunas teorías marginales son una forma de protociencia y otras son una forma de pseudociencia . La falsación de la teoría original a veces conduce a una reformulación de la teoría.
Los experimentos "mentales" son situaciones creadas en la mente de uno, que plantean una pregunta similar a "supongamos que estás en esta situación, suponiendo que eso 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 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 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 .
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