La física intenta comprendre l'univers elaborant un model matemàtic i conceptual de la realitat que s'utilitza per a racionalitzar, explicar i predir els fenòmens de la natura, plantejant una teoria física de la realitat. La física teòrica, també denominada física matemàtica o física fonamental, constitueix la branca de la física que, basant-se fortament en la matemàtica, elabora teories i models amb la finalitat d'explicar i comprendre fenòmens físics, aportant les eines necessàries no sols per a l'anàlisi sinó per a la predicció del comportament dels sistemes físics. Encara que treballs anteriors poden considerar-se part d'aquesta disciplina, la física teòrica cobra especial força des de la formulació de la mecànica analítica (Joseph-Louis Lagrange, William Rowan Hamilton) i adquireix una rellevància de primera línia a partir de les revolucions quàntica i relativista de principis del (per exemple, la bomba atòmica va ser una predicció de la física teòrica).
Mètode de la física Totes les ciències de la natura tenen una característica comuna: són ciències experimentals, és a dir, els coneixements acumulats han estat obtinguts mitjançant l'experimentació sistemàtica. Aquest procediment es denomina mètode científic experimental, també conegut com a empiricodescriptiu.
No obstant això, la física teòrica basa el seu progrés en l'ús de la matemàtica per a predir fenòmens que encara no han estat observats experimentalment, així com uns altres que ens permeten conèixer l'univers en formes no accessibles experimentalment, sobre la base de principis ben demostrats experimentalment. Però la demostració final de tot coneixement en física és experimental i fins que no es demostra d'aquesta forma les prediccions de la teoria no es pot estar segur de la validesa d'una teoria o model. Un exemple està en els acceleradors de partícules, en els quals se cerquen en moltes ocasions partícules previstes pel model de la física de partícules i, freqüentment, es troben unes altres no previstes inicialment i que fan canviar el model. Així mateix, les prediccions de la física teòrica han indicat sovint l'existència de partícules no descobertes i han proporcionat les tècniques adequades per a la seua recerca experimental, i han estat trobades de manera posterior a la seua predicció teòrica.
Alguns físics teòrics eminents Entre altres molts, destaquem alguns físics teòrics famosos i rellevants: Christiaan Huygens (1629-1695) Isaac Newton (1643-1727) Leonhard Euler (1707-1783) Joseph Louis Lagrange (1736-1813) Pierre-Simon Laplace (1749-1827) Joseph Fourier (1768-1830 Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1842) William Rowan Hamilton (1805-1865) Rudolf Clausius (1822-1888) James Clerk Maxwell (1831-1879) J. Willard Gibbs (1839-1903) Hendrik A. Lorentz (1853-1928) Nikola Tesla (1856-1943) Max Planck (1858-1947) Albert Einstein (1879-1955) Niels Bohr (1885-1962) Werner Heisenberg (1901-1976) Max Born (1882-1970) Erwin Schrödinger (1887-1961) Louis de Broglie (1892-1987) Satyendra Nath Bose (1894-1974) Wolfgang Pauli (1900-1958) Enrico Fermi (1901-1954) Paul Dirac (1902-1984) Eugene Wigner (1902-1995) Robert Oppenheimer (1904-1967) Sin-Itiro Tomonaga (1906-1979) Hideki Yukawa (1907-1981) Lev Landau (1908-1968) Julian Schwinger (1918-1994) Richard Feynman (1918-1988) Chen Ning Yang (1922-) Abdus Salam (1926-1996) Freeman Dyson (1923-) Murray Gell-Mann (1929-) George Sudarshan (1931-) Sheldon Glashow (1932-) Steven Weinberg (1933-) Stephen Hawking (1942-2018) Michio Kaku (1947-) Jacob Bekenstein (1947-2015) Edward Witten (1951-) Juan Ignacio Cirac Sasturain (1965-)
Teories centrals Les teories dominants (a vegades conegudes com a teories centrals) són el cos de coneixement de tots dos punts de vista fàctic i científic, i que posseeixen una qualitat científica habitual de proves de repetibilidad, i coherència amb els paràmetres ben establerts de la ciència i l'experimentació. No existeixen teories dominants que són generalment acceptades, sinó teories que es basen únicament en els seus efectes que expliquen una àmplia varietat de dades, encara que la detecció, l'explicació, i possible composició són encara temes de debat.
Camp (física) Computació quàntica Conservació de l'energia Cosmologia física Cromodinàmica quàntica Dinàmica Electrodinàmica quàntica Electroquímica quàntica Energia fosca Física de la matèria condensada Física de l'estat sòlid o Física de la matèria condensada i l'estructura electrònica dels materials Física de partícules Fluidodinàmica Matèria fosca
Mecànica clàssica Mecànica quàntica Mecànica de sòlids deformables Mecànica estadística Model estàndard de física de partícules Modelatge molecular Model electrodèbil Relativitat general Relativitat especial Teoria quàntica de camps Teoria de camp de gauge Teoria de la relativitat especial Termodinàmica Termodinàmica dels forats negres Òptica quàntica
Teories proposades Les teories proposades de la física són relativament noves teories que s'ocupen de l'estudi de la física, que inclouen els enfocaments científics, mitjans per a determinar la validesa dels models i els nous tipus de raonament utilitzats per a arribar a la teoria. No obstant això, algunes teories proposades són les teories que han existit durant dècades i han eludit als mètodes de descobriment i de la prova. Teories proposades poden incloure les teories marginals en el procés d'establir-se (i, a vegades, guanyant una major acceptació). Les teories proposades en general no han estat provades.
Conjunts causals Energia fosca o Constant cosmològica Forat de cuc Teoria de la gran unificació Gravetat quàntica de bucles Teoria M Teoria de cordes Supersimetria Teoria del tot Teoria de supercordes
Història
La física teòrica va començar fa almenys 2300 anys, sota la filosofia presocràtica, i va continuar amb Plató i Aristòtil, les opinions de la qual van dominar durant un mil·lenni. Durant el sorgiment de les universitats medievals, les úniques disciplines intel·lectuals reconegudes eren les set arts liberals del Trivium com gramàtica, lògica i retòrica i del Quadrívium com aritmètica, geometria, música i astronomia. Durant l'Edat mitjana i el Renaixement, el concepte de ciència experimental, el contrapunt a la teoria, va començar amb erudits com Ibn al-Hàytham i Francis Bacon. A mesura que la revolució científica s'accelerava, els conceptes de matèria, energia, espai, temps i causalitat lentament van començar a adquirir la forma que coneixem avui, i altres ciències van sorgir de la rúbrica de filosofia natural. Així va començar l'era moderna de la teoria amb el canvi de paradigma en l'astronomia copernicana, seguit aviat per les expressions de Johannes Kepler per a les òrbites planetàries, que van resumir les meticuloses observacions de Tycho Brahe; les obres d'aquests homes (juntament amb les de Galileu) potser poden considerar-se com a constituents de la Revolució Científica.
El gran impuls cap al concepte modern d'explicació va començar amb Galileu, un dels pocs físics que era tant un teòric consumat com un gran experimentalista. La geometria analítica i la mecànica de Descartes es van incorporar al càlcul i la mecànica d'Isaac Newton, un altre teòric/experimentalista del més alt ordre, escrivint Principia Mathematica.See 'Correspondence of Isaac Newton, vol.2, 1676–1687' ed. H W Turnbull, Cambridge University Press 1960; at page 297, document #235, letter from Hooke to Newton dated 24 November 1679. En ell contenia una gran síntesi de l'obra de Copèrnic, Galileu i Kepler; així com les teories de la mecànica i la gravitació de Newton, que van dominar com a visions del món fins a principis del . Simultàniament, també es va avançar en òptica (en particular, la teoria del color i l'antiga ciència de l'òptica geomètrica), cortesia de Newton, Descartes i els holandesos Snell i Huygens. En els segles i Joseph-Louis Lagrange, Leonhard Euler i William Rowan Hamilton estendrien considerablement la teoria de la mecànica clàssica. Van recollir l'entrellaçament interactiu de matemàtiques i física iniciat dos mil·lennis abans per Pitàgores.
Entre els grans assoliments conceptuals dels segles i va estar la consolidació de la idea d'energia (així com la seva conservació global) mitjançant la inclusió de calor, electricitat i magnetisme, i després llum. Les lleis de la termodinàmica, i, cosa que és més important, la introducció del concepte singular d'entropia van començar a proporcionar una explicació macroscòpica de les propietats de la matèria. La mecànica estadística (seguida de la física estadística i la mecànica estadística quàntica) va sorgir com una branca de la termodinàmica a la fi del Un altre esdeveniment important en el va ser el descobriment de la teoria electromagnètica, unificant els fenòmens prèviament separats de l'electricitat, el magnetisme i la llum.
Els pilars de la física moderna, i potser les teories més revolucionàries en la història de la física, han estat la teoria de la relativitat i la mecànica quàntica. La mecànica newtoniana es va incloure en la relativitat especial i la gravetat de Newton va rebre una explicació cinemàtica mitjançant la relativitat general. La mecànica quàntica va conduir a una comprensió de radiació de cos negre (que de fet, va ser una motivació original per a la teoria) i d'anomalies en les calors específiques de sòlids —i finalment a una comprensió de les estructures internes de àtoms i molècules. La mecànica quàntica aviat va donar pas a la formulació de la teoria quàntica de camps (QFT), iniciada a la fi de la dècada de 1920. Després de la Segona Guerra Mundial, un major progrés va generar un interès renovat en QFT, que s'havia estancat des dels primers esforços. El mateix període també va veure nous atacs als problemes de la superconductivitat i les transicions de fase, així com les primeres aplicacions de QFT en l'àrea de la matèria condensada teòrica. Les dècades de 1960 i 1970 van veure la formulació del model estàndard de física de partícules utilitzant QFT i el progrés en la física de la matèria condensada (fonaments de la superconductivitat i fenòmens crítics, entre altres), en paral·lel a les aplicacions de la relativitat als problemes en astronomia i cosmologia respectivament.
Tots aquests assoliments van dependre de la física teòrica com a força impulsora tant per a suggerir experiments com per a consolidar resultats, sovint mitjançant l'aplicació enginyosa de les matemàtiques existents o, com en el cas de Descartes i Newton (amb Leibniz), inventant noves matemàtiques. Els estudis de Fourier sobre la conducció de la calor van conduir a una nova branca de les matemàtiques: sèrie infinita, ortogonal.
La física teòrica moderna intenta unificar teories i explicar fenòmens en nous intents de comprendre l'Univers, des de la cosmològica fins a la partícula elemental. On no es pot fer experimentació, la física teòrica encara intenta avançar mitjançant l'ús de models matemàtics.
Experiments mentals enfront d'experiments reals
Els experiments "mentals" són situacions imaginàries, que plantegen un interrogant del tipus "Suposem que estàs en aquesta situació, assumint que això és cert, què caldria esperar a continuació?".