A física teórica é o ramo da física que estuda as leis físicas teóricas de aparecimento e desenvolve o formalismo matemático . É nesta área que criamos teorias, equações e constantes relacionadas com a física. Constitui um campo intermediário de estudo entre a física experimental e a matemática, e muitas vezes contribuiu para o desenvolvimento de ambas.
A física teórica não deve ser confundida com a física matemática , aquele ramo da matemática que se propõe a fazer afirmações matematicamente rigorosas , consideradas vagas ou mal definidas pelos teóricos.
A física teórica tenta descrever o mundo fazendo modelos da realidade, usados para racionalizar, explicar e prever fenômenos físicos por meio de uma "teoria física". Existem três tipos de teorias na física: teorias amplamente adotadas, teorias propostas mas não validadas e teorias marginais (tradução aproximada de "teorias convencionais, teorias propostas e teorias marginais").
Algumas teorias físicas são confirmadas pela observação, enquanto outras não. Uma teoria física é um conjunto de postulados (ou axiomas) e métodos . Uma teoria não pode, portanto, por definição, ser provada: nisso uma teoria física difere de um teorema matemático. No entanto, os resultados ou postulados de uma teoria podem ser rastreados a partir de outras teorias em um determinado campo de aplicação, por exemplo, fazendo aproximações . As teorias físicas modelam a realidade e são um reflexo de observações e uma fonte de previsão de novas observações.
As teorias físicas podem ser aceitas quando permitem fazer previsões corretas e evitar fazer previsões erradas. As teorias físicas mais simples são mais frequentemente preferidas às que são vistas como complexas (por exemplo, baseadas em um número considerado excessivo de postulados, ou explicando processos físicos por mecanismos considerados complexos), de acordo com a regra conhecida como " navalha de Ockham " . As teorias físicas com maior probabilidade de serem aceitas são aquelas que relatam um grande número de fenômenos. O processo de testar uma teoria física faz parte do método científico .
A posição particular da física teórica na encruzilhada da matemática e da física levou o matemático francês Jean-Marie Souriau a descrevê-la como "física sem experiência e matemática sem rigor" .
A tabela a seguir reúne teorias importantes classificadas por data. As teorias comumente aceitas estão em verde, as teorias especulativas em bege. Duas teorias comumente aceitas podem dar resultados diferentes: por exemplo, a mecânica newtoniana será menos precisa do que a teoria geral da relatividade na cosmologia . Cada teoria tem seu próprio campo de aplicação (por exemplo, a relatividade especial permite que esse campo seja estendido a velocidades próximas à velocidade da luz). Nós ouvimos por
Nós chamamos :
Teoria | Ferramentas de modelagem | Domínio do aplicativo |
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Mecânica clássica
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Geometria euclidiana em tempo newtoniano 3D Partículas e campos clássicos |
Limite não relativístico Limite clássico |
Termodinâmica clássica ( XIX th século) | Temperatura, calor, entropia | Sistemas macroscópicos, alta temperatura (normalmente acima de algumas dezenas de Kelvins) |
Relatividade restrita (1905)
|
Campos tensores clássicos em um espaço-tempo plano 4D de Minkowski |
Alta velocidade Baixo campo gravitacional |
Relatividade geral (1915) | Geometria não euclidiana em 4D | Da escala macroscópica às escalas cosmológicas Limite clássico Campo gravitacional forte Compreensão da gravidade (curvatura do espaço-tempo) |
A mecânica quântica (início XX th século) | Espaço newtoniano e probabilidades de tempo , função de onda e observáveis |
Escalas microscópicas (<10 nm ) Limite clássico |
Eletrodinâmica quântica (meados XX th século) | Campos quânticos relativísticos (espaço-tempo de Minkowski) | Quantificação de pequenas escalas de eletromagnetismo Mecânica quântica relativística |
Modelo padrão (década de 1970) | Campos quânticos relativísticos | Unificação de pequenas escalas de eletromagnetismo , interação fraca e interação forte |
Gravidade quântica de loop | Geometria não euclidiana em 4D, descrição probabilística discreta | Todas as escalas, quantificação da relatividade geral (gravidade quântica) |
Teorias das cordas (termo que agrupa diferentes teorias, década de 1990) | Branes , supersimetria | Todas as escalas, Unificação das quatro interações fundamentais |
Outras teorias têm um status de ferramenta, servindo, por exemplo, para descrever fenômenos não elementares ou para fornecer uma estrutura de modelagem:
Teoria | Ferramentas de modelagem | Domínio do aplicativo |
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Física estatística
|
Conjuntos estatísticos | Grande número de partículas, matéria condensada, gás |
Teoria quântica de campos | Campos quânticos | Teorias eficazes , eletrodinâmica quântica |
Mecânica de continuidade | Descrição contínua do material | Certos fluidos macroscópicos ou sólidos |
Finalmente, há um grande número de teorias em cada campo da física, por exemplo, o modelo ΛCDM em cosmologia, óptica geométrica em óptica, a teoria da decoerência em mecânica quântica, ...
Alguns laboratórios de física teórica na França: