teoretisk fysikk

Plancks strålingslov er et eksempel på at eksperimentelle resultater fører til ny teoretisk fysikk. Den ble formulert av Max Planck i år 1900 for å forklare observasjoner med svartlegemestråling som den klassiske fysikken ikke kunne forklare. Dette regnes som starten på kvantefysikken. Higgsbosonet, som ble oppdaget i CERN i 2012, er et eksempel på at utviklingen kan gå i motsatt retning. Teoretiske fysikere forutsa higgsbosonets eksistens allerede i 1964, da de innførte higgsmekanismen som forklaring på elementærpartiklers masse. Et annet eksempel er gravitasjonsbølger, som ble annonsert målt for første gang i 2016, hundre år etter at Einsteins generelle relativitetsteori forutsa at de burde finnes. Disse oppdagelsene demonstrerer også viktigheten av teknologiutvikling for samspillet mellom teoretisk og eksperimentell fysikk.

I teoretisk fysikk arbeider man med å utvide vår forståelse av den materielle delen av verden. Man anvender etablerte teorier, for eksempel relativitetsteorien og kvantemekanikken, på stadig nye fenomener, eller konstruerer nye og mer omfattende teorier. Man behandler både spørsmålet om hvilke partikler materien består av, hvordan partiklene beveger seg, hva slags stråling de kan sende ut og hvilke krefter som virker mellom dem. Kreftene beskrives ved hjelp av kraftfelter, for eksempel gravitasjonsfelter og elektromagnetiske felter.

Økt forståelse går ofte ut på å redusere ulike observerte fenomener til noen få grunnleggende egenskaper ved naturen. For eksempel kan alle grunnstoffenes egenskaper forstås ut fra den forestilling at de er bygd opp av tre typer elementærpartikler: elektroner, protoner og nøytroner. Kreftene mellom og i ulike legemer utleder man fra noen få fundamentale krefter mellom partiklene som legemene består av. Man prøver å konstruere teorier som gir en enhetlig oppfattelse av store grupper av fenomener.

Et eksempel er James Clerk Maxwells arbeid i 1850-årene. Før denne tiden ble optiske, magnetiske og elektriske fenomener oppfattet som uavhengige av hverandre. Maxwell konstruerte en enhetlig teori for slike fenomener, der lys er elektromagnetisk stråling, og magnetisme er den hastighetsavhengige delen av den elektromagnetiske kraften mellom ladninger (se Maxwells ligninger).

I dag er modellene for mange fysiske fenomener blitt så kompliserte at databeregninger har fått en viktig plass i sammenligningen mellom teori og eksperiment. Når man for eksempel tester modeller med nye elementærpartikler mot data fra CERN, kan det gå med millioner av timer med beregninger på en enkelt prosessor. For ikke å måtte vente i årevis på svaret, må beregningene derfor gjøres på tungregneanlegg.

Teoretisk fysikk oppstod som en egen disiplin innenfor naturvitenskapen etter 1687 da Isaac Newton publiserte verket Principia. Det finnes i dag to hovedgrener innenfor teoretisk fysikk:

• Klassisk teoretisk fysikk
• Kvantefysikk

Klassisk teoretisk fysikk omfatter klassisk mekanikk, relativitetsteori, elektromagnetisme, statistisk mekanikk, termodynamikk, teorien for bølger, svingninger og optiske fenomener, plasmafysikk og klassisk feltteori.

Kvantefysikk omfatter kvantemekanikk, kvantefeltteori og kvantestatistisk fysikk. De tre best etablerte kvantefeltteoriene er kvante-elektrodynamikken (QED), kvantekromodynamikken (QCD), og den elektrosvake teorien (ET). QED beskriver kvante-aspekter ved elektromagnetismen, QCD den sterke kraften mellom kvarker, som gjør at de danner protoner og nøytroner, og ET er en forent teori for elektromagnetisme og svak kjernekraft. Det arbeides intenst mot det store målet; å konstruere en forenet teori for alle krefter og partikler, TOE.

• fysikk
• kvantefysikk
• relativitetsteorien