miniaturadaimagem|Representação visual de um buraco de minhoca de Schwarzschild. Buracos de minhoca nunca foram observados, mas são previstos por modelos matemáticos e teoria científica. Física teórica é um ramo da física que utiliza modelos matemáticos e abstrações de objetos e sistemas físicos para racionalizar, explicar e prever fenômenos naturais. Isto contrasta com a física experimental, que utiliza ferramentas experimentais para investigar esses fenômenos.O avanço da ciência geralmente depende da interação entre estudos experimentais e teóricos. Em alguns casos, a física teórica adere a padrões de rigor matemático enquanto dá pouca importância aos experimentos e observações.Há algum debate sobre se a física teórica usa a matemática para construir intuição e ilustração para extrair insights físicos (especialmente quando a experiência normal falha), em vez de ser uma ferramenta na formalização de teorias. Isso se relaciona com a questão de usar a matemática de maneira menos formalmente rigorosa e mais intuitiva ou heurística do que, por exemplo, a física matemática. Por exemplo, enquanto desenvolvia a relatividade especial, Albert Einstein estava preocupado com a transformação de Lorentz que deixava as equações de Maxwell invariantes, mas aparentemente não se interessou pelo Experimento de Michelson-Morley sobre a deriva da Terra através de um éter luminífero. Por outro lado, Einstein foi premiado com o Prêmio Nobel por explicar o efeito fotoelétrico, anteriormente um resultado experimental sem uma formulação teórica.
Visão geral Uma teoria física é um modelo de eventos físicos. Ela é avaliada pela extensão com que suas previsões concordam com observações empíricas. A qualidade de uma teoria física também é julgada pela sua capacidade de fazer novas previsões que podem ser verificadas por novas observações. Uma teoria física difere de um teorema matemático porque, embora ambos sejam baseados em algum tipo de axioma, o julgamento da aplicabilidade matemática não é baseado na concordância com resultados experimentais.Theorems and Theories , Sam Nelson.Mark C. Chu-Carroll, 13 de março de 2007:Theories, Theorems, Lemmas, and Corollaries. Good Math, Bad Math blog. Uma teoria física difere de uma teoria matemática, no sentido de que a palavra "teoria" tem um significado diferente em termos matemáticos.Às vezes, a palavra "teoria" pode ser usada de forma ambígua neste sentido, não para descrever teorias científicas, mas campos e programas de pesquisa (sub)campos. Exemplos: teoria da relatividade, teoria de campos quânticos, teoria das cordas.
Uma teoria física envolve uma ou mais relações entre várias quantidades mensuráveis. Arquimedes percebeu que um navio flutua deslocando sua massa de água, Pitágoras entendeu a relação entre o comprimento de uma corda vibrante e o tom musical que ela produz. Outros exemplos incluem entropia como uma medida da incerteza sobre as posições e movimentos de partículas não vistas e a ideia mecânico-quântica de que (ação e) energia não são variáveis continuamente.
A física teórica consiste em várias abordagens diferentes. Neste sentido, a física teórica de partículas é um bom exemplo. Por exemplo, "fenomenologistas" podem empregar fórmulas (semi-) empíricas e heurísticas para concordar com resultados experimentais, muitas vezes sem entendimento físico profundo.O trabalho de Johann Balmer e Johannes Rydberg em espectroscopia, e a fórmula de massa semi-empírica da física nuclear são bons candidatos para exemplos dessa abordagem. "Modeladores" (também chamados de "construtores de modelos") muitas vezes parecem semelhantes aos fenomenologistas, mas tentam modelar teorias especulativas que têm certas características desejáveis (em vez de dados experimentais), ou aplicam as técnicas de modelagem matemática a problemas de física.Os modelos Ptolemaico e Copernicano do Sistema Solar, o modelo de Bohr dos átomos de hidrogênio e o modelo de camada nuclear são bons candidatos para exemplos dessa abordagem. Alguns tentam criar teorias aproximadas, chamadas teorias efetivas, porque teorias totalmente desenvolvidas podem ser consideradas insolúveis ou muito complicadas. Outros teóricos podem tentar unificar, formalizar, reinterpretar ou generalizar teorias existentes, ou criar novas por completo.Argumentavelmente, essas são as teorias mais celebradas da física: a teoria da gravitação de Newton, a teoria da relatividade de Einstein e a teoria do eletromagnetismo de Maxwell compartilham alguns desses atributos. Às vezes, a visão fornecida por sistemas matemáticos puros pode fornecer pistas sobre como um sistema físico pode ser modelado;Essa abordagem é frequentemente favorecida por (puros) matemáticos e físicos matemáticos. por exemplo, a noção, devida a Riemann e outros, de que o espaço em si pode ser curvo. Problemas teóricos que precisam de investigação computacional são frequentemente da preocupação da física computacional.Feynman, et al. The Feynman Lectures on Physics (3 vol.). First edition: Addison–Wesley, (1964, 1966).
Bestselling three-volume textbook covering the span of physics. Reference for both (under)graduate student and professional researcher alike.Longair, MS. Theoretical Concepts in Physics: An Alternative View of Theoretical Reasoning in Physics. Cambridge University Press; 2d edition (4 Dec 2003). . Sommerfeld, Arnold. Vorlesungen über theoretische Physik (Lectures on Theoretical Physics); German, 6 volumes.
A series of lessons from a master educator of theoretical physicists.
Avanços teóricos podem consistir em deixar de lado antigos paradigmas incorretos (por exemplo, a teoria do éter luminífero da propagação da luz, a teoria calórica do calor, a combustão consistindo na evolução do flogisto, ou corpos astronômicos girando em torno da Terra) ou pode ser um modelo alternativo que fornece respostas mais precisas ou que podem ser mais amplamente aplicadas. Neste último caso, será necessário um princípio de correspondência para recuperar o resultado anteriormente conhecido.Bokulich, Alisa, "Bohr's Correspondence Principle", A Enciclopédia de Filosofia de Stanford (Edição de Primavera de 2014), Edward N. Zalta (ed.)Enc. Britannica (1994), pg 844. No entanto, às vezes, os avanços podem seguir caminhos diferentes. Por exemplo, uma teoria essencialmente correta pode precisar de algumas revisões conceituais ou factuais; a teoria atômica, postulada pela primeira vez há milênios (por vários pensadores na Grécia e na Índia) e a teoria de dois fluidos da eletricidade são dois casos neste ponto. No entanto, uma exceção a tudo isso é a dualidade onda-partícula, uma teoria que combina aspectos de diferentes modelos opostos através do princípio de complementaridade de Bohr.Enc. Britannica (1994), pg 834.
As teorias físicas tornam-se aceitas se forem capazes de fazer previsões corretas e nenhuma (ou poucas) incorretas. A teoria deve ter, pelo menos como objetivo secundário, uma certa economia e elegância (comparar com beleza matemática), uma noção às vezes chamada de "Navalha de Occam" em homenagem ao filósofo inglês do século XIII William de Occam (ou Ockham), em que a mais simples das duas teorias que descrevem o mesmo assunto de forma igualmente adequada é preferida (mas simplicidade conceitual pode significar complexidade matemática). Elas também são mais propensas a serem aceitas se conectarem uma ampla gama de fenômenos. Testar as consequências de uma teoria faz parte do método científico.Simplicidade na Filosofia da Ciência (acessado em 19 de agosto de 2014), Enciclopédia de Filosofia da Internet.
As teorias físicas podem ser agrupadas em três categorias: teorias principais, teorias propostas e teorias de margem.
História A física teórica começou pelo menos há 2 300 anos, sob a filosofia pré-socrática, e continuou por Platão e Aristóteles, cujas visões dominaram por um milênio. Durante o surgimento das universidades medievais, as únicas disciplinas intelectuais reconhecidas eram as sete artes liberais do Trivium como gramática, lógica e retórica e do Quadrivium como aritmética, geometria, música e astronomia. Durante a Idade Média e o Renascimento, o conceito de ciência experimental, o contraponto à teoria, começou com estudiosos como Ibn al-Haytham e Francis Bacon. Com o avanço da Revolução Científica, os conceitos de matéria, energia, espaço, tempo e causalidade começaram lentamente a adquirir a forma que conhecemos hoje, e outras ciências se desmembraram do escopo da filosofia natural. Assim começou a era moderna da teoria com o paradigma copernicano na astronomia, logo seguido pelas expressões de Johannes Kepler para as órbitas planetárias, que resumiram as meticulosas observações de Tycho Brahe; o trabalho desses homens (junto com o de Galileu) pode ser considerado a Revolução Científica.
O grande impulso para o conceito moderno de explicação começou com Galileu, um dos poucos físicos que foi tanto um teórico consumado quanto um grande experimentalista. A geometria analítica e a mecânica de Descartes foram incorporadas ao cálculo e à mecânica clássica de Isaac Newton, outro teórico/experimentalista de alto nível, escrevendo Principia Mathematica.Ver 'Correspondência de Isaac Newton, vol.2, 1676–1687' ed. H W Turnbull, Cambridge University Press 1960; na página 297, documento #235, carta de Hooke para Newton datada de 24 de novembro de 1679. Continha uma grande síntese do trabalho de Copérnico, Galileu e Kepler; assim como as teorias de mecânica e gravitação de Newton, que prevaleceram como visões de mundo até o início do século XX. Simultaneamente, também houve progressos na óptica (em particular na teoria das cores e na antiga ciência da ótica geométrica), cortesia de Newton, Descartes e os holandeses Snell e Huygens. Nos séculos XVIII e XIX, Joseph-Louis Lagrange, Leonhard Euler e William Rowan Hamilton expandiriam consideravelmente a teoria da mecânica clássica. Eles retomaram a interação entre matemática e física iniciada dois milênios antes por Pitágoras.
Entre as grandes realizações conceituais dos séculos XIX e XX estavam a consolidação da ideia de energia (bem como sua conservação global) pela inclusão de calor, eletricidade e magnetismo e depois luz. As leis da termodinâmica e, mais importante, a introdução do conceito singular de entropia começaram a fornecer uma explicação macroscópica para as propriedades da matéria. A mecânica estatística (seguida pela física estatística e mecânica estatística quântica) surgiu como um desdobramento da termodinâmica no final do século XIX. Outro evento importante no século XIX foi a descoberta da teoria eletromagnética, unificando os fenômenos anteriormente separados da eletricidade, magnetismo e luz.