Теория это в физике кратко
Обновлено: 04.07.2024
Физическая теория - это логическая конструкция, состоящая из минимально необходимого набора принципов и правил доказательства, позволяющих строго вывести все установленные в какой-либо области физики законы.
Студент физфака. Интересы: физика, астрономия, история, философия, религия, наука · 19 окт 2021
Физическая теория - это способ моделирования процессов и явлений, происходящих в природе, с помощью математики. Теория состоит из постулатов и их следствий, которые выводятся математически. Следствия из постулатов подлежат экспериментальной проверке: если предсказанное в теории число с высокой степенью точности совпадает с экспериментальными данными, то теория считается. Читать далее
Что такое физическая теория? Запишем в тетрадь общее определение: "Физическая теория - это система знаний, объясняющая физические явления и их взаимосвязь". В физическую теория входят описание явления, результаты эксперимента, понятия, основные идеи, модели, гипотезы, закономерности, методы исследования. Основная задача физической теории - объяснение физических явлений. Так, теория классической механики Ньютона - объясняет явления, связанные с механическим движением больших тел: например, почему самолет летит.
Это чудесное (слегка сокращенное мною) определение физической теории предложено для учеников 7 кл. Аминат Маралбаевой. Именно такое интуитивное понятие физической теории присутствует в головах многих образованных сограждан, что приводит их в состояние недоумения, когда они сталкиваются с так называемыми физическими теориями неклассической физики. Поэтому я, с вашего позволения, приведу столь же отчетливое, но противоположное представление о сути физических теорий:
Примерно так, с моими сокращениями, о сути физической теории сказано Новиченок в ее работе: "Песчаный фундамент теории Левашова - мерность пространства".
Так или иначе, но общеупотребительного понимания физической теории я не нашел. А это, т.е. соглашение о смысле понятий, есть и предмет корректности использования нашего языка. Поэтому я попытаюсь со своей точки зрения дать хотя бы какое-то прояснение вопроса о физической теории.
Прежде всего, надо уточнить в более общем плане, что физическая теория строит не модель, а математическую конструкцию, которая количественно описывает некоторую область реальности. Далее можно отметить, что классическая физическая теория описывает или пытается описать реальность на основе ее модели, а неклассическая физическая теория, также количественно описывающая реальность, не требует соответствия реальности своей математической конструкции, лежащей в основе неклассической физической теории.
Проще говоря, классическая физическая теория описывает и предсказывает реальность, а неклассическая физическая теория лишь количественно предсказывает явления реальности, не ставя перед собой в качестве обязательного требования эту реальность объяснять.
Именно в таком духе о физической теории высказывались и гиганты неклассической физики Альберт Эйнштейн и Нильс Бор. Хорошая физическая теория, согласно гениальному прозрению, должна красиво делать как можно большее количество предсказаний посредством как можно меньшего количества исходных постулатов. Поскольку исходные постулаты не обязаны отвечать наблюдаемой реальности, как и вообще реальности в любом смысле, то это и вызывает состояние недоумения у образованных сограждан, понимающих физическую теорию в духе замечательного ее определения, данного Аминат Маралбаевой.
Правда, недоумение в отношении физических теорий вызывают также и многочисленные мистические интерпретации современных неклассических теорий, но это уже, пожалуй, вопрос религиозного творчества или создания новых религий, а не прояснения сути физических теорий.
В заключение приведу несколько высказываний по части современных физических теорий великих землян:
Я пытался отыскать самый простой способ, каким Господь мог все это сделать.
С тех пор как математики занялись теорией относительности, я сам перестал понимать ее.
Вот, например, квантовая теория, физика атомного ядра. За последнее столетие эта теория блестяще прошла все мыслимые проверки, некоторые ее предсказания оправдались с точностью до десятого знака после запятой. Неудивительно, что физики считают квантовую теорию одной из своих главных побед. Но за их похвальбой таится постыдная правда: у них нет ни малейшего понятия, почему эти законы работают и откуда они взялись.
Что такое наука? — Область знаний, которая позволяет выдавать точные предсказания.
С места в карьер! В физике есть три главные константы: скорость света (с = 3 *10 10 см/с), гравитационная постоянная (G = 6,67 * 10 -8 см 3 /гр сек) и постоянная Планка (h/2pi = 1,05 * 10 -27 эрг сек). Теории делятся по тому, как они учитывают эти константы.
1.
Исторически первой была создана классическая (Ньютоновская) механика. Она стоит на законах Ньютона и преобразованиях Галилея.
Преобразования линейны, интуитивны и просты. Машина едет со скоростью 5 [бананов в полторы минуты] относительно меня, я еду на автобусе в том же направлении относительно плакучей ивы со скоростью 2 [банана в полторы минуты], значит относительно ивы машина едет со скоростью 7 [бананов в полторы минуты].
Первый закон Ньютона об опытах в поезде премиум-класса на прямом (!) магнитном монорельсе в вагоне-термосе.
Второй: производная по времени от импульса равна силе (dp/dt = F, жирные — вектора). Именно так, не фе равно ма. Кстати, в его времена не знали что такое производная и придумал ее он (Математические начала натуральной философии). Правда, это было не строго математически и ни о каких пределах тогда не слышали (вы же помните как вводится производная в матане?), но теоретические расчеты (читай --предсказания) сходились с экспериментом.
Третий для решения статических задач и для сглаживания некоторых противоречий.
Так вот, эта теория из трех Констант не учитывает ни одной! Закон всемирного тяготения вводится ручками и является уступкой опыту.
2.
Далее (хронологически) появилась специальная теория относительности. Конечно, математический аппарат для нее уже был готов, но только молодому тогда Эйнштейну удалось обосновать перед серьезными физиками состоятельность теории, использующую его (аппарат).
Суть — все как раньше (про поезд), но есть максимальная предельная скорость, скорость света, которая, более того, для света одна и та же для любого(!) наблюдателя, стоите Вы или бежите и не важно в какую сторону. Если хотите, я честно выведу преобразования Лоренца только из этих соображений и только с помощью ловкости рук!
Вот это и называется учесть скорость света. Прям так сразу, как постулат в основании теории.
Кстати сказать, завершенная к тому моменту электродинамика уже удовлетворяла этим условиям. Я про скорость света.
В наши удивительные времена мы используем и эту теорию во всю! Ярким примером служат системы навигации. На спутниках GPS/ГЛОНАСС/… должны быть очень точно синхронизированы часы. Очень! Учитывается замедление времени при движении с большими скоростями, плюс движение с ускорением (центростремительное), плюс искривление пространства-времени при движении вблизи массивного тела.
Вот тут G и c такие, какими должны быть.
4.
Если предыдущие теории были почти целиком плодом одного человека, то квантовая механика это дитя мозгового штурма. В двадцатых годах того века интенсивная переписка оформила теорию и была проведена проверка на экспериментах.
Так мы учли постоянную Планка. Кстати, про перечеркнутую h: когда Нильс Бор приезжал к нам и читал лекции, ему задали вопрос о символе
5.
Поженить квантовую механику и специальную теорию относительности не составило особого труда. Просто вместо уравнения Шредингера, которое является местным аналогом закона сохранения энергии, записываем уравнения Дирака, суть которого — E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4 и дальше аналогично 4.
Вот мы учли c и h/2pi.
6.
Теории, которые стараются учесть гравитацию почему-то часто имеют приставку супер-. Суперструны, суперсимметрия и т.д. Но ничего не выходит.
Вот и нет у нас пока теории, которая учитывала бы все.
С экспериментом все еще хуже. Приведу числа: два протона на некотором расстоянии (Планковская длина, если Вы понимаете о чем я. Если нет, то не страшно, тут это не важно) взаимодействуют посредством сильного взаимодействия (простите за тавтологию) — 1, электромагнитного — 10 -2 (0,01), слабого — 10 -5 (0,00001), гравитационного — 10 -38 (написать?)
Модель, теория, закон – понятия в физике. Читайте определение терминов, описание в дисциплине физики, научные модели и применение при изучении, законы физики.
Задача обучения
Основные пункты
- Понятия в физике нельзя доказать. Их можно лишь поддержать или опровергнуть при помощи наблюдений и экспериментов.
- Модель – основанное на доказательствах представление того, что слишком сложно или невозможно отобразить напрямую.
- Теория – расшифровывание закономерностей в природе, которые подтверждены научными доказательствами и проверены несколько раз различными исследователями.
- Закон чаще всего выражается в виде математического уравнения, чтобы описать общий результат, подтвержденный научными доказательствами и экспериментами.
Термины
- Закон – краткое описание (чаще всего, в виде математического уравнения), применяемое для объяснения природного шаблона.
- Модель – представление того, что нельзя или сложно отобразить напрямую.
- Теория – расшифровка природных закономерностей, подтвержденных научными сведениями и проверенных разными исследователями.
Определение терминов: модель, теория, закон
В разговорах эти термины приобретают различные интерпретации, хотя в науках все строго и определенно. Правда, следует понимать, какой именно смысл они несут для физики.
Законы природы – краткое описание окружающего нас мира. Это не конкретное объяснение, а человеческое понимание правил, которыми управляются естественные процессы. Это неотъемлемая часть Вселенной. Мы не причастны к созданию, поэтому не можем ничего изменить.
Поиск естественных законов основывается на наблюдениях. Наука должна описывать реальную Вселенную, а не наше впечатление и домыслы. К законам не получится подойти со 100% уверенностью, потому что нельзя провести эксперименты с учетом всех возможных сценариев. В таком случае физики стоят на том, что все научные законы и теории действительны, пока не найдется весомый аргумент в пользу обратного.
Модели
Модель – представление того, что сложно или невозможно отобразить напрямую. Дизайн строится на основе всей полученной информации и экспериментах, но его можно назвать точным только в конкретных ситуациях. Например, можно вспомнить о планетарной модели атома, где электроны окружают атом, напоминая нашу систему. У нас нет возможности отслеживать орбитальный путь электронов, но мы способны наблюдать излучаемый горячими газами свет.
Физики применяют модели для различных целей. Это может быть анализ сценария или необходимость провести расчеты. Очень часто отображают целые ситуации при помощи компьютерных моделей. Посмотрите на модель атома в физике на нижнем рисунке.
Электроны изображаются вращающимися вокруг ядра, имитируя принципы работы Солнечной системы
Теории
Теория – разъяснение природных закономерностей, подтвержденных научными доказательствами и проверенные несколькими исследователями. Некоторые теории подключают модели, чтобы визуализировать явления, а другие – нет. Модель Ньютона не нуждается в модели, потому что эти объекты мы можем наблюдать напрямую. А вот кинетическая теория газов нуждается, чтобы рассмотреть структуру. Не забывайте, что атомы и молекулы чересчур крошечные и не улавливаются нашим зрением. Наиболее известная теория Большого Взрыва во Вселенной.
Законы
Закон – емкая и точная форма описания общей картины в природе. Законы физики подтверждаются научными экспериментами и обоснованными доказательствами. Часто для краткости используют математические формулы. Закон и теория похожи, так как оба подтверждены наукой и выливаются из проверенной гипотезы. Однако закон направлен на краткость и обобщенность. Это может быть второй закон движения Ньютона, связывающий массу, силу и ускорение, что выражается в формуле F = ma. Или в физике это закон сохранение энергии, закон всемирного тяготения и т.д.
Теория излагает все более обширно. Например, теорию эволюции или относительности не получится выразить в формуле или сжать в одно предложение. Главная разница в том, что закон более сложный и динамичный, а теория направлена на объяснение. Если первый концентрируется на конкретной точке зрения, то вторая вмещает множество явлений. Если закон служит основой научного метода, то теория – конечный результат.
Читайте также: