Theoretische Physik

Die theoretische Physik ist ein Zweig der Physik, der mathematische Modelle und Abstraktionen von physikalischen Objekten und Systemen verwendet, um natürliche Phänomene zu rationalisieren, zu erklären und vorherzusagen. Dies steht im Gegensatz zur Experimentalphysik, die diese Phänomene mit experimentellen Mitteln untersucht.

Der Fortschritt der Wissenschaft hängt im Allgemeinen von der Wechselwirkung zwischen experimentellen Studien und Theorie ab. In einigen Fällen hält sich die theoretische Physik an die Standards der mathematischen Strenge, während sie Experimenten und Beobachtungen nur wenig Bedeutung beimisst. So befasste sich Albert Einstein bei der Entwicklung der Speziellen Relativitätstheorie mit der Lorentz-Transformation, die die Maxwellschen Gleichungen unveränderlich machte, war aber offenbar nicht am Michelson-Morley-Experiment über die Erdbewegung durch einen leuchtenden Äther interessiert. Umgekehrt erhielt Einstein den Nobelpreis für die Erklärung des photoelektrischen Effekts, der zuvor ein experimentelles Ergebnis war, dem eine theoretische Formulierung fehlte.

Einordnung

Eine physikalische Theorie ist ein Modell für physikalische Ereignisse. Sie wird danach beurteilt, inwieweit ihre Vorhersagen mit empirischen Beobachtungen übereinstimmen. Die Qualität einer physikalischen Theorie wird auch danach beurteilt, ob sie in der Lage ist, neue Vorhersagen zu machen, die durch neue Beobachtungen überprüft werden können. Eine physikalische Theorie unterscheidet sich von einem mathematischen Theorem dadurch, dass beide zwar auf einer Form von Axiomen beruhen, die Beurteilung der mathematischen Anwendbarkeit aber nicht auf der Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen beruht. Eine physikalische Theorie unterscheidet sich ebenfalls von einer mathematischen Theorie, und zwar in dem Sinne, dass das Wort „Theorie“ in der Mathematik eine andere Bedeutung hat.

Eine physikalische Theorie beinhaltet eine oder mehrere Beziehungen zwischen verschiedenen messbaren Größen. Archimedes erkannte, dass ein Schiff schwimmt, indem es seine Wassermasse verdrängt, Pythagoras verstand die Beziehung zwischen der Länge einer schwingenden Saite und dem Musikton, den sie erzeugt. Andere Beispiele sind die Entropie als Maß für die Ungewissheit in Bezug auf die Positionen und Bewegungen unsichtbarer Teilchen und die quantenmechanische Idee, dass (Aktion und) Energie nicht kontinuierlich veränderlich sind.

Physikalische Theorien können in drei Kategorien eingeteilt werden: Mainstream-Theorien, vorgeschlagene Theorien und Randtheorien.

Ansätze

Die theoretische Physik besteht aus mehreren verschiedenen Ansätzen. Die theoretische Teilchenphysik ist dafür ein gutes Beispiel. Zum Beispiel: „Phänomenologen“ können (halb-) empirische Formeln und Heuristiken verwenden, um mit experimentellen Ergebnissen übereinzustimmen, oft ohne tiefes physikalisches Verständnis.

‚Modellierer‘ (auch ‚Modellbauer‘ genannt) treten oft ähnlich wie Phänomenologen auf, versuchen aber, spekulative Theorien zu modellieren, die bestimmte wünschenswerte Eigenschaften haben (anstatt auf experimentellen Daten zu beruhen), oder wenden die Techniken der mathematischen Modellierung auf physikalische Probleme an. Einige versuchen, Näherungstheorien zu schaffen, die so genannten effektiven Theorien, weil vollständig entwickelte Theorien als unlösbar oder zu kompliziert angesehen werden können. Andere Theoretiker versuchen, bestehende Theorien zu vereinheitlichen, zu formalisieren, neu zu interpretieren oder zu verallgemeinern oder völlig neue Theorien zu entwickeln.

Manchmal kann die von rein mathematischen Systemen gebotene Sichtweise Hinweise darauf liefern, wie ein physikalisches System modelliert werden könnte; z. B. die auf Riemann und andere zurückgehende Vorstellung, dass der Raum selbst gekrümmt sein könnte. Theoretische Probleme, die einer rechnerischen Untersuchung bedürfen, sind oft das Anliegen der Computerphysik.

Entwicklung

Theoretische Fortschritte können darin bestehen, dass alte, falsche Paradigmen aufgegeben werden (z. B. die Äthertheorie der Lichtausbreitung, die kalorische Theorie der Wärme, die Verbrennung, die aus sich entwickelndem Phlogiston besteht, oder die astronomischen Körper , die sich um die Erde drehen), oder sie können in einem alternativen Modell bestehen, das genauere Antworten liefert oder in größerem Umfang angewendet werden kann. Im letzteren Fall ist ein Korrespondenzprinzip erforderlich, um das zuvor bekannte Ergebnis wiederherzustellen.

Manchmal können Fortschritte jedoch auch auf unterschiedlichen Wegen erfolgen. So kann es vorkommen, dass eine im Wesentlichen korrekte Theorie einer begrifflichen oder faktischen Überarbeitung bedarf; die Atomtheorie, die erstmals vor Jahrtausenden (von mehreren Denkern in Griechenland und Indien) postuliert wurde, und die Zwei-Fluid-Theorie der Elektrizität sind zwei Beispiele für diesen Punkt. Eine Ausnahme von all dem ist der Welle-Teilchen-Dualismus, eine Theorie, die Aspekte verschiedener, gegensätzlicher Modelle über das Bohrsche Komplementaritätsprinzip kombiniert.

Ziele

Physikalische Theorien werden akzeptiert, wenn sie in der Lage sind, korrekte und keine (oder nur wenige) falsche Vorhersagen zu machen. Die Theorie sollte, zumindest als sekundäres Ziel, eine gewisse Sparsamkeit und Eleganz aufweisen (vergleichbar mit mathematischer Schönheit), ein Begriff, der manchmal „Occams Rasiermesser“ genannt wird, nach dem englischen Philosophen William of Occam (oder Ockham) aus dem 13. Jahrhundert, wonach die einfachere von zwei Theorien, die denselben Sachverhalt ebenso adäquat beschreiben, bevorzugt wird (aber begriffliche Einfachheit kann mathematische Komplexität bedeuten).
Sie werden auch eher akzeptiert, wenn sie ein breites Spektrum von Phänomenen verbinden. Das Testen der Konsequenzen einer Theorie ist Teil der wissenschaftlichen Methode.

Überprüfung

Aus einer wissenschaftlichen Theorie müssen überprüfbare Vorhersagen abgeleitet werden können. Nach dem Falsifikationismus des Wissenschaftsphilosophen Karl Popper müssen diese Vorhersagen experimentellen Falsifikationsversuchen standhalten können, damit die Theorie zumindest vorläufig als wahr akzeptiert werden kann. Es müssen also entscheidende Experimente durchgeführt werden, deren Ergebnis die Verwerfung der Theorie bedeuten könnte.

Die schlimmste Kritik, die eine Theorie treffen kann, ist daher der Vorwurf, nicht einmal falsch zu sein (ein Zitat des österreichischen theoretischen Physikers Wolfgang Pauli).

Selbst eine falsche Theorie kann die Wissenschaft voranbringen, indem sie ein widerlegbares Experiment hervorruft, aber eine nicht überprüfbare Theorie macht überhaupt keinen Sinn. Gegen die Stringtheorie, die im Übrigen neue Zusammenhänge herstellt, wird eingewandt, dass Testexperimente möglicherweise nicht durchführbar sind. Der allererste Test ist übrigens, dass eine Theorie bekannte Phänomene nicht ausschließen sollte.

Das Konzept der Überprüfbarkeit ist in der Wissenschaftstheorie umstritten. Denker wie Thomas Kuhn, Imre Lakatos und Paul Feyerabend haben alle möglichen Einwände und Komplikationen gegen Poppers Standardtheorie vorgebracht. Übrigens forderte die Physik schon vor Popper die Möglichkeit der experimentellen Überprüfbarkeit - man denke beispielsweise an die Ablenkung des Sternenlichts an der Sonne als Test der allgemeinen Relativitätstheorie. Vor Popper war es jedoch einfacher, über die endgültige Bestätigung oder Verifizierung einer Theorie nachzudenken.

Gedankenexperimente

„Gedankenexperimente sind Situationen, die man sich im Kopf ausmalt und in denen man sich die Frage stellt: „Angenommen, du befindest dich in dieser Situation und die Situation ist wahr, was würde dann passieren? Sie werden in der Regel durchgeführt, um Phänomene zu untersuchen, die in alltäglichen Situationen nicht ohne Weiteres erfahrbar sind. Berühmte Beispiele für solche Gedankenexperimente sind Schrödingers Katze, das EPR-Gedankenexperiment, einfache Darstellungen der Zeitdilatation und so weiter. Diese führen in der Regel zu realen Experimenten, mit denen überprüft werden soll, ob die Schlussfolgerungen (und damit die Annahmen) der Gedankenexperimente richtig sind. Das EPR-Gedankenexperiment führte zu den Bell'schen Ungleichungen, die dann mit unterschiedlicher Strenge getestet wurden, was zur Annahme der aktuellen Formulierung der Quantenmechanik und des Probabilismus als Arbeitshypothese führte.

Geschichte

Die theoretische Physik ist älter als die experimentelle Physik: Die alten Griechen philosophierten über die Natur, führten aber keine Experimente durch, um ihre Theorien zu überprüfen. So behauptete Aristoteles beispielsweise, dass schwere Gegenstände schneller fallen als leichte. Dies wäre leicht zu testen gewesen, aber ein „Herr von Rang“, wie sich der griechische Intellektuelle selbst sah, hielt sich von der Handarbeit fern. Im Prinzip hätte man das den Handwerkern überlassen können, aber ein grundlegenderer Einwand war, dass ein Experiment als unnatürlich angesehen wurde. Mit dieser Auffassung wurde erst in der frühen Neuzeit gebrochen. Dann kam die wissenschaftliche Methode auf, bei der die Theorie anhand von quantitativen Messungen geprüft wird, ob in einem kontrollierten Experiment oder nicht.

Lange Zeit waren die meisten Theoretiker auch Experimentatoren und testeten ihre Theorien selbst. Das war damals eher möglich als heute, denn damals konnte man noch sozusagen auf dem Küchentisch Experimente machen, die zu bahnbrechenden Ergebnissen führen konnten. Galilei mag noch eigene Experimente mit fallenden Gegenständen gemacht haben, Huygens baute Teleskope und beobachtete den Saturn, Newton machte Experimente zur Lichtbrechung und Beobachtungen mit einem selbst gebauten Spiegelteleskop.

Der spezialisierte theoretische Physiker ist jüngeren Datums. Während es in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts noch durchaus üblich war, dass bedeutende Physiker wichtige Erkenntnisse auf so unterschiedlichen Gebieten wie der Thermodynamik und der Elektrizitätslehre entwickelten, wurde dies danach rasch seltener. Auch das Experimentieren selbst geriet in Vergessenheit. Hendrik Lorentz war einer der ersten in Europa, der 1878 an der Universität Leiden eine Professur für das neue eigenständige Fach Theoretische Physik erhielt. Im zwanzigsten Jahrhundert ist der Theoretiker in der Regel auf ein Gebiet spezialisiert: zum Beispiel auf statistische Mechanik, Kernphysik oder Teilchenphysik. Dennoch kommt es vor, dass ein Forscher in einer Disziplin sowohl das Experiment als auch die Theorie beherrscht.