¿Por qué existe la “física teórica”?
La física es una parte importante de la civilización humana moderna. Se desarrolla con el progreso de la civilización y es el resultado de la creación material humana y del pensamiento espiritual. Al mismo tiempo, también promovió eficazmente un mayor desarrollo de la civilización humana. Se puede decir que la física es una de las fuerzas moldeadoras más importantes de la sociedad humana moderna. No sólo es la base directa de diversos logros materiales magníficos y sofisticados, sino que también afecta profundamente la filosofía humana, las opiniones políticas, las actividades económicas y culturales, y remodela la comprensión que los seres humanos tienen de sí mismos y del universo. Como rama importante de la física, la física teórica juega un papel fundamental. Su papel y significado no solo incluyen todos los aspectos anteriores, sino que también tienen sus propias características.
El sistema de conocimiento de la física teórica se originó a partir de la revolución ideológica moderna en Europa en los siglos XV y VI. Copérnico propuso por primera vez la "teoría heliocéntrica" para desafiar el sistema teológico religioso y creó la astronomía moderna. Kepler, contemporáneo de Copérnico, continuó sus esfuerzos y utilizó un lenguaje matemático riguroso para describir correcta y completamente la "teoría heliocéntrica", sentando una base más sólida para esta teoría. Galileo estableció el método de investigación de las ciencias naturales modernas: realizando estudios experimentales de fenómenos físicos y combinando métodos experimentales con métodos matemáticos y argumentación lógica. Einstein comentó una vez que los métodos de investigación científica de Galileo son uno de los mayores logros en la historia del pensamiento humano y el verdadero comienzo de la física.
Al resumir y heredar las teorías de pensadores modernos como Copérnico y Galileo, Newton estableció creativamente un sistema teórico lógicamente riguroso y comenzó la primera nueva era en la historia de la física. Newton estableció la visión clásica del espacio y el tiempo absolutos, propuso las tres leyes de la fuerza y reveló el misterio del color de la luz. Desarrolló poderosos métodos matemáticos, como el cálculo, para realizar razonamientos lógicos y análisis rigurosos de problemas físicos, y fabricó su propio equipo experimental, como telescopios y prismas para observaciones experimentales. Estos métodos de investigación han establecido las normas más básicas para la investigación de la física moderna. La filosofía de Newton sobre el espacio y el tiempo y los sistemas mecánicos son la base de más de 200 años de investigación en física. Los físicos clásicos como Lagrange, Euler, Laplace, Fourier y Hamilton utilizaron métodos de análisis matemático para mejorar continuamente el sistema mecánico de Newton. Ampere, Faraday y Maxwell crearon y perfeccionaron la teoría electromagnética clásica, y Carnot, Clausius, Gibbs y Boltzmann desarrollaron y perfeccionaron la termodinámica clásica y las teorías estadísticas. El sistema teórico de Newton y sus productos también hicieron que la gente se diera cuenta de que las leyes del movimiento material pueden captarse y utilizarse. La comprensión del universo distante y de las estrellas extraterrestres ha cambiado la comprensión que tiene la gente sobre el lugar del ser humano en el universo. El análisis anatómico y el seguimiento de la historia de la evolución biológica han cambiado por completo la forma en que las personas se entienden a sí mismas. La gente ha comenzado a abandonar el dogmatismo, el misticismo y el agnosticismo en la religión y la superstición. La búsqueda de los orígenes, las leyes del movimiento, la lógica interna y la interconexión de las cosas constituye la base del racionalismo y los métodos científicos y, en realidad, es una mejora.
El alto grado de perfección del sistema de la física clásica ha llevado la teoría misma al límite de sus capacidades. Sin embargo, los sofisticados métodos experimentales que generó han descubierto que existen problemas importantes en la propia base teórica. lo que llevó a Poincaré, Lorenz y Einstein a considerar seriamente si los fundamentos del sistema de la física clásica eran correctos. Esta ola de reexamen crítico del sistema de Newton desencadenó una revolución en la física a principios del siglo XX: el surgimiento de la relatividad y la teoría cuántica a principios del siglo XX anuló por completo la visión de Newton del tiempo y el espacio y los fundamentos de la física clásica y de la física. marcó el comienzo de una nueva era y el rápido desarrollo de la rueda. Cabe señalar que, aunque la nueva teoría física ha reemplazado las ideas básicas de la antigua teoría, el valor de la física clásica no ha sido negado, porque los principios, métodos de investigación experimentales y teóricos establecidos por la física clásica para explorar las leyes del movimiento, y el uso del lenguaje matemático para describir las leyes físicas tiene un valor eterno y, bajo ciertas condiciones físicas, la física clásica sigue siendo una teoría precisa y las modificaciones introducidas por la relatividad y la mecánica cuántica no afectarán las prácticas físicas específicas.
La relatividad y la mecánica cuántica han vuelto a remodelar la visión que la gente tiene del espacio y el tiempo, dando nuevos significados a conceptos como relatividad y absoluto, espacio-tiempo y materia, certeza e incertidumbre, continuidad y discontinuidad. Los conceptos y leyes físicos del sistema clásico pueden probarse y reformularse en el nuevo marco físico, pero en cierto sentido se abandonan, pero al mismo tiempo se retienen y mejoran.
Con la explicación perfecta de la radiación del cuerpo negro y el espectro atómico mediante la mecánica cuántica, la predicción perfecta de la teoría electromagnética y la conversión masa-energía mediante la relatividad especial, y la explicación precisa de la precesión planetaria mediante la relatividad general, los nuevos sistemas físicos están siendo rápidamente aceptados como los nuevos base para la investigación física. Tomando esto como punto de partida, en las décadas de 1920 y 1930, la comprensión de la naturaleza por parte de la humanidad se profundizó rápidamente hasta el nivel microscópico de los átomos y los núcleos. Tenía una comprensión clara del espectro atómico y una comprensión preliminar de los fenómenos y las leyes de la física nuclear. , y comenzó Aplicaciones de la Energía Nuclear. Macroscópicamente se expande a la escala de las galaxias y el universo. La cosmología moderna basada en la relatividad general proporciona un marco teórico para la evolución del universo a lo largo de 10 mil millones de años. Las observaciones de galaxias a miles de millones de años luz de distancia han ampliado el conocimiento humano como nunca antes, y la discusión sobre los agujeros negros se ha convertido en un tema duradero en la teoría de la gravedad.
Con la acumulación de conocimiento sobre las partículas microscópicas, la gente ha descubierto que las partículas no son permanentes, sino que se producen y aniquilan constantemente e interactúan entre sí. Esto impulsó a los físicos a estudiar en las décadas de 1930 y 1950. s desarrolló la teoría cuántica de campos. El concepto de campo se estableció ya en la era de Faraday y Maxwell y es uno de los conceptos básicos de la física moderna. La teoría cuántica de campos combina la teoría de campos con la relatividad especial y la mecánica cuántica para explicar completamente la relación entre la volatilidad de las partículas y sus propiedades, así como la relación entre masa y energía. Durante este período, el conocimiento de la física teórica aumentó exponencialmente y surgieron muchos talentos: Heisenberg propuso el principio de incertidumbre, Pauli propuso el principio de exclusión, Dirac propuso la ecuación que describe los electrones y Max Born, Jordan y Wigner perfeccionaron juntos la mecánica cuántica y llevaron a cabo una gran cantidad de exploraciones tempranas sobre la cuantificación de campo. En las décadas de 1930 y 1940, Ichiro Asaga, Schwinger y Feynman establecieron la teoría cuántica de campos: la electrodinámica cuántica, que describía la interacción entre los campos electromagnéticos y los electrones. Su teoría es totalmente coherente con los requisitos de la relatividad y la mecánica cuántica, y han desarrollado con éxito un conjunto de teorías de perturbaciones para calcular soluciones aproximadas a problemas específicos. Los resultados del cálculo teórico del momento magnético anómalo del electrón son consistentes con el experimento, lo que demuestra plenamente el poder del método teórico. Durante este período, la investigación sobre el mundo cuántico microscópico también reveló sus principios de simetría únicos, estableció la simetría CPT del espacio-tiempo y la destrucción C, la destrucción P, la destrucción T de la teoría de partículas y otras teorías, y descubrió y resumió la simetría interna de las partículas. Spin, isospin, número bariónico, etc.
En las décadas de 1960 y 1970, la física teórica experimentó otro período pico de desarrollo. Aunque la teoría de la matriz S alguna vez floreció, la gente todavía se da cuenta de que los métodos de campos cuánticos tienen ventajas irremplazables para comprender los problemas dinámicos. La simetría de calibre, como principio físico básico, proporciona un marco teórico para describir las interacciones entre sustancias. La teoría del calibre no abeliano (teoría de campos de Yang-Mills) se ha convertido en la piedra angular de la teoría de campos moderna y en el modelo estándar de la física de partículas. Tres de las cuatro fuerzas conocidas, excepto la gravedad: interacción electromagnética, interacción débil e interacción fuerte, son todas las que pueden ser. descrito por la teoría normativa. Con la introducción de la teoría de los quarks, el establecimiento de la teoría unificada de las corrientes débiles y la descripción correcta de las interacciones asintóticas de los quarks libres mediante la cromodinámica cuántica, sabemos que las partículas de Fermi, como componentes básicos, constituyen el mundo material, mientras que las partículas calibre desempeñan un papel en el mundo material. un papel importante en la interacción El papel del transmisor. Teóricamente, la teoría de la renormalización de Wilson examina la estructura básica de la teoría cuántica de campos desde una nueva perspectiva, propone el concepto de flujo de renormalización y explica la importancia de la teoría cuántica de campos efectiva. Nambu, Goldstone, Higgs y otros desarrollaron el mecanismo de ruptura espontánea de la simetría; Hooft y Veltmann demostraron la renormalización de la teoría del calibre no abeliano. También se demostró que la teoría cuántica unificada de la electricidad débil era la; teoría correcta para describir la interacción quark-gluón. El estudio de los monopolos magnéticos y los instantones reveló algunas propiedades no perturbativas de la teoría de campos. En términos de experimentos, un gran número de experimentos de alta energía, como la dispersión elástica profunda de los núcleos y el fenómeno del chorro de las colisiones PP, han confirmado la existencia real de los quarks y la libertad asintótica de la cromodinámica cuántica. La detección de corrientes neutras y bosones pesados confirmó la exactitud de la teoría de las corrientes débiles. A principios de la década de 1980, las bases de la física de partículas estaban sentadas y el establecimiento de una teoría unificada parecía estar a la vuelta de la esquina. Sin embargo, resulta que unificar una teoría de las interacciones es mucho más difícil de lo que la gente imaginaba.
Para unificar la teoría actual débil y la teoría de interacción fuerte, la gente intenta utilizar grupos de calibre como SO(10) y SU(5) para construir una teoría unificada que cumpla con todos los requisitos de simetría, y Proponer conceptos de supersimetría para mejorar las propiedades teóricas de los rayos UV. Sin embargo, una gran cantidad de investigaciones en esta área no están respaldadas por experimentos.
Teóricamente, la teoría de la perturbación de la teoría cuántica de campos se ha entendido bien, pero la teoría de campos cuánticos no perturbativos todavía preocupa a la gente, y la teoría del calibre de red está lejos de ser suficiente para resolver completamente problemas de confinamiento como la teoría de Yang-Mills. La contradicción entre la teoría de la gravedad y la mecánica cuántica es aún más aguda. Hace tiempo que se ha descubierto que los métodos de cuantificación que son perjudiciales para otros campos han fallado cuando se aplican a campos gravitacionales: los campos cuánticos obtenidos cuantificando directamente la gravedad son irreducibles, lo que significa que esta teoría no puede realizar ningún cálculo cuántico significativo. Sin embargo, la teoría de la gravedad cuántica es indispensable para mejorar el sistema físico teórico: la investigación clásica sobre las propiedades de los agujeros negros muestra que los agujeros negros tienen propiedades termodinámicas, entropía macroscópica y temperatura, y la investigación semiclásica incluso muestra que la mecánica cuántica permite los agujeros negros tienen las propiedades requeridas por el mecanismo microscópico de la teoría de la gravedad cuántica; al mismo tiempo, la cosmología del Big Bang ha logrado remontarse a los primeros tres minutos de la evolución del universo, y la cosmología de partículas ha explicado correctamente el fenómeno. abundancia de elementos ligeros en el universo. Sin embargo, para seguir investigando el origen del universo hay que tener en cuenta los efectos cuánticos de la gravedad.
Para resolver estos grandes problemas de la física teórica, los físicos han propuesto varios mecanismos teóricos desde la década de 1970, algunos de los cuales se basan en la relatividad y la mecánica cuántica y han sido relativamente conservadores. Nueva expansión: la supersimetría es una. La expansión de la simetría de Poincaré cambia los componentes básicos de la naturaleza de partículas puntuales a cuerdas unidimensionales. La teoría extradimensional cree que, además del espacio-tiempo macroscópico de cuatro dimensiones, existen algunos espacios extras extremadamente pequeños. Estas teorías suelen tener un punto de partida sencillo, pero han dado lugar a muchos resultados de investigación interesantes. Algunas teorías reexaminan fundamentalmente los fundamentos teóricos de la relatividad y la mecánica cuántica en un intento de resolver problemas con cambios revolucionarios radicales. Varias teorías alternativas de la mecánica cuántica y la gravedad cuántica de bucles han realizado algunas exploraciones en esta dirección. Estas teorías han dado lugar a muchos estudios teóricos formales, pero siempre carecen del apoyo de resultados experimentales concluyentes. Algunas investigaciones teóricas y experimentales se han distanciado, lo que ha generado controversia sobre si estos estudios se han desviado del camino correcto de la investigación en física.
En cualquier caso, la física teórica es todavía un sistema inacabado, lleno de vitalidad y desafíos. La física teórica explora, por un lado, las leyes del movimiento de las partículas elementales y, al mismo tiempo, las manifestaciones de las leyes físicas en diversas condiciones complejas. Con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología, la investigación de la física teórica continúa desempeñando un papel vital en cada vez más campos: la teoría de la información cuántica profundiza nuestra comprensión de los fundamentos de la mecánica cuántica, al tiempo que desafía constantemente los límites explicativos de la teoría cuántica; la física y la nanotecnología han revelado ricas leyes físicas en la zona de transición entre ambientes macro y micro extremos, como temperaturas ultrabajas y láseres potentes, que muestran propiedades físicas únicas, sistemas multielectrónicos fuertemente correlacionados que plantean desafíos tanto para la investigación analítica como numérica. Constantemente surgen nuevos problemas en sistemas físicos complejos y sistemas físicos no lineales.
En el nuevo siglo, como importante descubrimiento en cosmología, nuestro universo se encuentra en un estado de expansión acelerada. La materia oscura y la energía oscura constituyen el 23% y el 73% del universo respectivamente, ¡y la materia bariónica que conocemos sólo representa el 4%! El conflicto entre teoría y experimento es tan agudo que la teoría misma también enfrenta problemas lógicos autoconsistentes. La nueva física es inevitable y la física teórica se enfrenta una vez más a la oportunidad de lograr grandes avances. Con la finalización del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el lanzamiento de una nueva generación de detectores astronómicos, el avance de los experimentos de detección de ondas gravitacionales y la implementación de varios planes experimentales a gran escala en el futuro, tenemos la oportunidad de detectar nuevas partículas más allá del modelo estándar Miden con precisión el resplandor del Big Bang temprano en el universo y estudian agujeros negros y otros objetos extraños en el espacio distante. Cuando tengamos cada vez más resultados experimentales, los físicos teóricos obtendrán más iluminación, surgirá naturalmente una nueva física que explicará correctamente los misterios anteriores, y nuestra comprensión de las leyes de la naturaleza entrará en un nuevo nivel.