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우주물리학

이론 물리학

by 이덕휴-dhleepaul 2022. 11. 10.

이론 물리학은 자연 현상을 합리화, 설명 및 예측하기 위해 물리적 대상과 시스템의 수학적 모델과추상화를사용하는물리학의 한 분야입니다. 이것은 실험 도구를 사용하여 이러한 현상을 조사하는실험 물리학과는 대조적입니다.

슈바르츠차일드웜홀의 시각적 표현. 웜홀은 관찰 된 적이 없지만수학적 모델과과학 이론을 통해 존재할 것으로 예측됩니다.

과학의 발전은 일반적으로실험연구와이론 간의 상호 작용에 달려 있습니다. 어떤 경우에는 이론 물리학이 실험과 관찰에 거의 비중을 두지 않으면서 수학적 엄격함의 표준을 고수합니다. [ᅡ] 예를 들어,특수 상대성 이론을 개발하는 동안 알버트 아인슈타인은맥스웰 방정식을불변으로 만든로렌츠 변환에 관심이 있었지만발광 에테르를 통한지구의 표류에 대한마이컬슨-몰리 실험에는 분명히 관심이 없었습니다. [1] 반대로, 아인슈타인은 이전에는 이론적 공식이 부족한 실험 결과였던광전 효과를 설명하여노벨상을수상했습니다. [2]

목차

개요

물리적이론은 물리적사건의 모델입니다. 예측이 경험적 관찰과 일치하는 정도에 따라 판단됩니다. 물리 이론의 질은 또한 새로운 관찰에 의해 검증 될 수있는 새로운 예측을 할 수있는 능력에 따라 판단됩니다. 물리 이론은 둘 다 어떤 형태의공리를 기반으로하지만 수학적 적용 가능성에 대한 판단은 실험 결과와의 일치에 근거하지 않는다는 점에서수학적 정리와 다릅니다. [3][4]물리 이론은 "이론"이라는 단어가 수학적 용어로 다른 의미를 갖는다는 점에서수학 이론과 유사하게 다릅니다. [ᄂ]

{\displaystyle \mathrm {Ric} =kg}

 시공간의 곡률을 설명하기 위해일반 상대성 이론에서 사용되는아인슈타인 다양체에 대한 방정식

물리적 이론은 다양한 측정 가능한 양 사이의 하나 이상의 관계를 포함합니다. 아르키메데스는 배가 물의 덩어리를 대체하여 떠 있다는 것을 깨달았고,피타고라스는진동하는현의 길이와 그것이 생성하는 음악적 음색 사이의 관계를 이해했습니다. [5][6]다른 예로는 보이지 않는입자의 위치와운동에 관한 불확실성의 척도로서의엔트로피와 (작용과) 에너지가연속적으로 변하지 않는다는양자 역학적아이디어가 있습니다.

이론 물리학은 여러 가지 접근 방식으로 구성됩니다. 이와 관련하여 이론적 입자 물리학이 좋은 예입니다. 예를 들어, "현상 학자"는 종종깊은 물리적 이해없이 실험 결과에 동의하기 위해 (반) 경험적공식과휴리스틱을 사용할 수 있습니다. [c] "모델러"( "모델 빌더"라고도 함)는 종종 현상 학자와 매우 유사하게 보이지만 실험 데이터가 아닌 바람직한 특징을 가진 추측 이론을 모델링하거나수학적 모델링기술을 물리학 문제에 적용하려고합니다. [d] 어떤 사람들은 완전히 발달 된 이론이 해결할 수 없거나너무 복잡한 것으로 간주 될 수 있기 때문에 효과적인 이론이라고 불리는 대략적인이론을 만들려고 시도합니다. 다른 이론가들은 현존하는 이론을통합, 공식화, 재 해석 또는 일반화하거나 완전히 새로운 이론을 만들려고 시도 할 수 있습니다. [e] 때로는 순수한 수학 시스템이 제공하는 비전이 물리적 시스템이 어떻게 모델링 될 수 있는지에 대한 단서를 제공 할 수 있습니다. [f]예를 들어,Riemann과 다른 사람들로 인해공간자체가 구부러질 수 있다는 개념. 계산 조사가 필요한 이론적 문제는 종종계산 물리학의 관심사입니다.

이론적 진보는 오래되고 잘못된패러다임 (예 : 빛의 전파에 대한 에테르이론, 열의 칼로리 이론, 진화하는플로지스톤으로 구성된 연소 또는지구 주위를 도는 천체)을 제쳐두거나보다 정확하거나 더 널리 적용될 수있는 답변을 제공하는 대안 모델 일 수 있습니다. 후자의 경우,이전에 알려진 결과를 복구하기 위해대응 원리가 필요할 것이다. [7][8]그러나 때로는 다른 경로를 따라 발전이 진행될 수 있습니다. 예를 들어, 본질적으로 올바른 이론은 개념적 또는 사실적 수정이 필요할 수 있습니다. 수천 년 전에 처음 가정된 원자 이론(그리스와 인도의 여러 사상가에 의해)과 전기의 두유체 이론[9]은 이 점에서 두 가지 경우입니다. 그러나 위의 모든 것에 대한 예외는보어 상보성 원리를 통해 서로 다른 반대 모델의 측면을 결합하는 이론인파동-입자 이중성입니다.

수학과 물리학의 관계

물리 이론은 올바른 예측을 할 수 있고 잘못된 예측이 없거나 적지 않으면 받아 들여집니다. 이 이론은 적어도 부차적 인 목표로서 특정 경제성과 우아함 (수학적 아름다움과 비교)을 가져야하며, 13 세기 영국 철학자 윌리엄 오브 오캄 (또는 오컴)의 이름을 따서 "오캄의 면도기"라고 불리는 개념으로, 동일한 문제를 적절하게 설명하는 두 이론 중 더 단순한 것이 선호됩니다 (그러나 개념적 단순성은 수학적 복잡성을 의미 할 수 있음). [10] 또한 광범위한 현상을 연결하면 받아 들여질 가능성이 더 큽니다. 이론의 결과를 테스트하는 것은과학적 방법의 일부입니다.

물리 이론은 주류 이론, 제안된 이론 및프린지 이론의 세 가지 범주로 분류 할 수 있습니다.

역사

추가 정보:물리학의 역사

이론 물리학은 적어도 2,300년 전에소크라테스 이전 철학에서 시작되어 천년 동안 지배적인 견해를 가진플라톤과아리스토텔레스에 의해 계속되었습니다. 중세 대학이 부상하는 동안유일하게 인정된 지적 학문은문법, 논리,수사학과같은Trivium의 7가지 교양과산술, 기하학, 음악및천문학과 같은Quadrivium의 7가지교양이었습니다. 중세와르네상스 시대에 이론에 대한 대위법인실험과학의 개념은Ibn al-Haytham과Francis Bacon과 같은 학자들과 함께 시작되었습니다. 과학 혁명이 속도를 내면서물질, 에너지, 공간, 시간 및인과 관계의 개념은 오늘날 우리가 알고있는 형태를 천천히 획득하기 시작했으며 다른과학은자연 철학의 루 브릭에서 분리되었습니다. 따라서 천문학의 코페르니쿠스 패러다임 전환과 함께 이론의 현대 시대가 시작되었고, 곧티코 브라헤의 세심한 관찰을 요약 한 행성 궤도에 대한요하네스 케플러의 표현이 뒤 따랐다. 이 사람들의 작품 (갈릴레오의 작품과 함께)은 아마도 과학 혁명을 구성하는 것으로 간주 될 수 있습니다.

현대 설명 개념을 향한 큰 추진은 유능한 이론가이자 위대한실험가였던 몇 안 되는물리학자중 한 명인갈릴레오로부터 시작되었습니다. 데카르트의분석 기하학과 역학은 프린키피아 매스매티카(Principia Mathematica)를 저술한 또 다른 최고 수준의 이론가/실험가인아이작 뉴턴(Isaac Newton)의미적분학과역학에 통합되었습니다. [11] 그 안에는 코페르니쿠스, 갈릴레오, 케플러의 작품에 대한 거대한 종합이 들어 있었다. 뿐만 아니라 20세기 초까지 세계관으로 지배했던 뉴턴의 역학과 중력 이론도 있습니다. 동시에, 광학학 (특히 색 이론과기하학적 광학의 고대 과학)에서도 진보가 이루어졌으며, 뉴턴, 데카르트, 네덜란드 인 스넬 (Snell)과 호이겐스 (Huygens)의 호의로 이루어졌습니다. 18 세기와 19 세기에Joseph-Louis Lagrange, Leonhard Euler,William Rowan Hamilton은 고전 역학 이론을 상당히 확장 할 것입니다. [12] 그들은 피타고라스에 의해 2 천년 전에 시작된수학과물리학의 상호 작용 얽힘을 집어 들었습니다.

19 세기와 20 세기의 위대한 개념적 업적 중에는열, 전기 및 자기,그리고 빛을 포함하여에너지 (및 지구 보존)에 대한 아이디어의 통합이있었습니다. 열역학 법칙, 그리고 가장 중요한 엔트로피개념의 도입은 물질의 특성에 대한 거시적 설명을 제공하기 시작했습니다. 통계 역학 (통계물리학및양자 통계 역학에 이어)은 19 세기 후반에 열역학의 파생물로 등장했습니다. 19 세기의 또 다른 중요한 사건은전자기 이론의 발견으로 이전에 분리 된 전기, 자기 및 빛의 현상을 통합했습니다.

현대 물리학의 기둥, 그리고 아마도물리학 역사상 가장 혁신적인 이론은상대성 이론과양자 역학이었습니다. 뉴턴 역학은 특수 상대성 이론에 포함되었고 뉴턴의중력은일반 상대성 이론에 의해운동학적설명이 주어졌습니다. 양자 역학은흑체복사(실제로 이론의 원래 동기였음)와고체의 비열의 이상에 대한 이해로 이어졌고 마침내원자와분자의 내부 구조에 대한 이해로 이어졌습니다. 양자 역학은 곧 1920년대 후반에 시작된양자장 이론(QFT)의 공식화에 자리를 내주었습니다. 제2차 세계 대전의 여파로 더 많은 진전이 초기 노력 이후 정체되었던 QFT에 대한 새로운 관심을 불러일으켰습니다. 같은 기간에는 초전도 및 상 전이 문제에 대한 새로운 공격과 이론적 응축 물질 영역에서 QFT의 첫 번째 적용이 있었습니다. 1960 년대와 70 년대에는 QFT를 사용한 입자 물리학의표준 모델이공식화되고 응축 물질 물리학 (초전도 및임계 현상의 이론적토대)이 발전했으며, 천문학과우주론의 문제에상대성 이론을 적용하는 것과 병행했습니다.

이러한 모든 업적은 실험을 제안하고 결과를 통합하는 원동력으로서의 이론 물리학에 의존했습니다 - 종종 기존 수학의 독창적 인 적용에 의해, 또는 데카르트와 뉴턴 (라이프니츠와 함께)의 경우처럼 새로운 수학을 발명함으로써. 푸리에의열전도 연구는 수학의 새로운 분야 인 무한, 직교 급수로 이어졌습니다. [13]

현대 이론 물리학은우주론에서기본 입자규모에 이르기까지우주를 이해하려는 추가 시도에서 이론을 통합하고 현상을 설명하려고 시도합니다. 실험을 할 수없는 곳에서 이론 물리학은 여전히 수학적 모델을 사용하여 발전하려고합니다.

주류 이론

주류 이론 (때로는 중심 이론이라고도 함)은 사실적 견해와 과학적 견해 모두에 대한 지식의 체계이며 반복성 테스트의 일반적인 과학적 품질, 기존의 잘 정립 된 과학 및 실험과의 일관성을 가지고 있습니다. 다양한 데이터를 설명하는 효과에만 근거한 일반적으로 받아 들여지는 이론 인 주류 이론이 존재하지만, 탐지, 설명 및 가능한 구성은 논쟁의 대상입니다.

예제

제안 된 이론

제안 된물리학 이론은 일반적으로 과학적 접근, 모델의 타당성을 결정하는 수단 및 이론에 도달하는 데 사용되는 새로운 유형의 추론을 포함하는 물리학 연구를 다루는 비교적 새로운 이론입니다. 그러나 일부 제안 된 이론에는 수십 년 동안 사용되어 왔으며 발견 및 테스트 방법을 피한 이론이 포함됩니다. 제안 된 이론은 확립되는 과정에서 (때로는 더 넓은 수용을 얻는) 비주류 이론을 포함 할 수 있습니다. 제안 된 이론은 일반적으로 테스트되지 않았습니다. 아래에 나열된 것과 같은 이론 외에도양자 역학에 대한 다른 해석이 있으며, 이는 원칙적으로도 물리적 실험에 대해 다른 예측을 산출하는지 여부에 대해 논쟁의 여지가 있기 때문에 다른 이론으로 간주될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있습니다. 예를 들어, AdS / CFT 대응, 체른-시몬스 이론, 중력자, 자기 모노 폴, 끈 이론, 모든 이론.

 

프린지 이론

비주류 이론에는 확립 과정에서 과학적 노력의 새로운 영역과 일부 제안 된 이론이 포함됩니다. 여기에는 추측 과학이 포함될 수 있습니다. 여기에는 알려진 증거에 따라 제시된 물리학 분야와 물리 이론이 포함되며 해당 이론에 따라 관련 예측이 이루어졌습니다.

일부 비주류 이론은 계속해서 물리학에서 널리 받아들여지는 부분이 됩니다. 다른 비주류 이론은 결국 반증됩니다. 일부 비주류 이론은원시과학의 한 형태이고 다른 이론은사이비 과학의 한 형태입니다. 원래 이론의 위조는 때때로 이론의 재구성으로 이어집니다.

예제

사고 실험 vs 실제 실험

"생각"실험은 마음 속에 만들어진 상황으로, "당신이이 상황에 있다고 가정하고, 그것이 사실이라고 가정하면, 무엇이 뒤따를 것인가?"와 유사한 질문을합니다. 그들은 일반적으로 일상적인 상황에서 쉽게 경험할 수없는 현상을 조사하기 위해 만들어집니다. 이러한 사고 실험의 유명한 예로는슈뢰딩거의 고양이,EPR 사고 실험,시간 팽창의 간단한 그림 등이 있습니다. 이것들은 일반적으로 사고 실험의 결론 (따라서 가정)이 올바른지 확인하기 위해 고안된 실제 실험으로 이어집니다. EPR 사고 실험은벨 불평등으로 이어졌고, 그 후다양한 수준의 엄격함으로 테스트되어양자 역학과확률론의 현재 공식을작업 가설로 수용했습니다.

참고 항목

노트

  1. ^ 이론 물리학이 이론을 공식화하는 도구가 아니라 물리적 통찰력을 추출하기 위해 직관과 설명을 구축하기 위해 수학을 사용하는지 여부에 대한 논쟁이 있습니다 (특히 정상적인경험이실패 할 때). 이것은 수학 물리학보다 덜 형식적으로 엄격하고 직관적이거나휴리스틱한 방식으로 수학을 사용하는 문제와 연결됩니다.
  2. ^ 때때로 "이론"이라는 단어는 과학 이론을 설명하는 것이 아니라 연구 (하위) 분야 및 프로그램을 설명하기 위해 이러한 의미에서 모호하게 사용될 수 있습니다. 예 : 상대성 이론, 양자 장 이론, 끈 이론.
  3. ^ 요한 발머 (Johann Balmer)와요하네스 리드 버그 (Johannes Rydberg)의 분광학에서의 연구와 핵 물리학의반 경험적 질량 공식은이 접근법의 예에 대한 좋은 후보입니다.
  4. ^ 태양계의프톨레마이오스및코페르니쿠스모델, 수소 원자의 보어 모델 및핵 껍질 모델은이 접근법의 예에 대한 좋은 후보입니다.
  5. ^ 틀림없이 이것들은 물리학에서 가장 유명한 이론입니다 : 뉴턴의 중력 이론, 아인슈타인의 상대성 이론 및 맥스웰의 전자기학 이론은 이러한 속성 중 일부를 공유합니다.
  6. ^ 이 접근법은 종종 (순수한) 수학자와 수학 물리학 자들이 선호합니다.

참조

  1. ^ 반 동겐, 제론 (2009). "마이컬슨-몰리 실험의 역할: 시카고의 아인슈타인". 정확한 과학사에 대한 아카이브. 63(6): 655–663. arXiv:0908.1545. 도이 : 10.1007 / S00407-009-0050-5.
  2. ^ "1921 년 노벨 물리학상". 노벨 재단. 2008년 10월 9일에 확인함.
  3. ^ 정리와 이론Archived2014-08-19 -웨이백 머신, 샘 넬슨.
  4. ^ Mark C. Chu-Carroll, 2007 년 3 월 13 일 : 정리, 렘마 및 추론. [영구 죽은 링크] 좋은 수학, 나쁜 수학 블로그.
  5. ^ 싱기레수 S. 라오(2007). 연속 시스템의 진동(그림 판). John Wiley & Sons. 5,12.ISBN 978-0471771715. ISBN9780471771715
  6. ^ 엘리 마오르 (2007). 피타고라스 정리: 4,000년 역사(삽화 판). 프린스턴 대학 출판부. 18–20쪽. ISBN978-0691125268. ISBN9780691125268
  7. ^ Bokulich, Alisa, "Bohr의 대응 원리",스탠포드 철학 백과 사전 (2014 년 봄 판), Edward N. Zalta (ed.)
  8. ^ 브리태니커 (1994), 844 페이지.
  9. ^ 브리태니커 (1994), 834 페이지.
  10. ^ 과학 철학의 단순성(2014년 8월 19일에 확인함), 인터넷 철학 백과사전.
  11. ^ '아이작 뉴턴의 서신, vol.2, 1676–1687' 에드. H W 턴불, 케임브리지 대학 출판부 1960; 297페이지, 문서 #235, 1679년 11월 24일자 후크가 뉴턴에게 보낸 편지.
  12. ^ 펜로즈, R (2004). 현실로 가는 길. 조나단 케이프. 피.471.
  13. ^ 펜로즈, R (2004). "9: 푸리에 분해와 과함수". 현실로 가는 길. 조나단 케이프.

추가 정보

  • 물리 과학. 브리태니커 백과 사전 (마크로 파에디아). 권. 25 (15 판). 1994.
  • 뒤헴, 피에르. La 테오리 체격 - 아들 오브제, sa 구조, (프랑스어). 2 판-1914. 영어 번역 :물리 이론 - 그 목적, 구조. 조셉 브린철학 서점 (1981)에 의해 재 출판, ISBN2711602214.
  • 파인만 외.파인만 물리학 강의(3권). 초판: 애디슨-웨슬리, (1964, 1966).
물리학의 범위를 다루는 베스트셀러 3 권 교과서. (학부) 대학원생과 전문 연구원 모두를위한 참고 자료. 물리학의 이론적 개념을 다루는 유명한 일련의 책은 10 권으로 여러 언어로 번역되고 여러 판에 걸쳐 재 인쇄됩니다. 종종 문헌에서 단순히 "Landau and Lifschits"또는 "Landau-Lifschits"로 알려져 있습니다. 1909 년컬럼비아 대학교에서 열린 일련의 강의. 이론 물리학 자의 마스터 교육자로부터 일련의 교훈.

외부 링크

위키책에는 이론 물리학 입문 주제에 대한 책이 있습니다.

 

 

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