Kuramsal fizik
Kuramsal fizik, Fiziğin, gözlemlenen fiziksel dünyanın temel yönlerini olabildiğince basit bir yolla anlamaya ve tanımlamaya çalışan dalı. Kuramsal fizik, en küçük yapılar olan kuarklardan ve gluonlardan, dev boyutlu yıldızların ve gökadaların özelliklerine kadar küçük ve büyük ölçekte maddeyi ve etkileşmelerini anlamaya yönelik bütün çabaları kapsar.
Aslına bakılırsa, kuramsal fiziğin varlığı, ikizi olan deneysel fizikten ayrı düşünülemez. Kuramların geçerlilik kazanması ve gözlemlerin yasalara dönüşmesi, ancak bunlardan çıkan sonuçların sürekli olarak deneylerle doğrulanması durumunda olanaklıdır. Gözlenen fiziksel olguların aşağı yukarı tümü, dört temel etkileşme ve deneye dayanan birkaç korunum yasası açısından oldukça kesin biçimde tanımlanabilmektedir.
Başka doğal bilimler gibi fiziğin de doğal dili matematiktir; ama matematik, başlı başına bir amaç olmaktan çok bir araç olarak görülür. Fizik, sık sık, birçok alt sistem içeren ve "birçok serbestlik derecesi bulunan sistemler" denilen sistemlerin etkileşmesiyle ilgilendiği için, yapılan matematiksel çözümlemelerin çoğu, sahip oldukları birçok serbestlik derecesi (değişken) nedeniyle, karmaşık duruma gelen birkaç temel denklemin yaklaşık çözümüne yöneliktir. Nispeten basit sistemler bile, karmaşık biçimlerde etkileşmeye girebilirler ve matematiksel olarak tanımlamaları yapılırken, yaklaştırmalar yapılması gerekir. Gerçekte, başarılı bir kuramın niteliklerinden biri, çözülecek sorun açısından en önemli olan bir ya da iki serbestlik derecesini kesin olarak ya da çok iyi bir yaklaştırmayla ele alabilmesi, kalan bütün serbestlik derecelerine de yaklaşabilmesidir. Kesin matematiksel çözümler çok ender elde edilirler ve çoğunlukla, herhangi bir içsel değer için değil, daha ileri gelişme için doğru yolda olunduğunu gösteren kılavuzlar olarak önem taşırlar.
İdealleştirme: Bilinen yasaların ve bakışımların bir sisteme uygulanabilmesi için, önce sistemi oluşturan öğeler konusunda işe yarar bir tanımlama yapılmalıdır. Bu önemli bir noktadır; çünkü fiziksel sistemler genellikle karmaşıktırlar; çok sayıda atomu ya da birçok serbestlik derecesini (ya da her ikisini birden) kapsarlar. Önce, karşı karşıya bulunulan sorun ile sistemin hangi özelliklerinin ilişkili olduğuna karar verilerek, sistemin belirlenmesi gerekir. Sözgelimi, yerçekimi ivmesinin serbest düşen cisimler üstündeki etkisi incelenirken, göz önüne alınacak en yalın sistem Yer'den, nesnelerden ve bunlar arasındaki etkileşmeden oluşur. Hızlar arttıkça hava direncinin yavaşlatıcı etkilerinin hesaba katılması gereği, sistemi karmaşıklaştırır; ama incelenen fiziksel sorun için gereklidir. Daha da kesin bir sonuç isteniyorsa, daha karmaşık olan Coriolis güçleri ve yerçekimsel ivmenin yükseklikle birlikte hafifçe değişmesi de göz önüne alınmalıdır.
Başka bir örnek de atomların enerji düzeyleriyle ilgilidir. Atomlar, düşük yoğunluk durumlarında yalıtılmış olarak ele alınabilir; böylece sistem, elektromagnetik alanla olası etkileşmede tek bir atom haline gelir. Yüksek yoğunluklardaysa, komşu atomların birbirlerinin enerji düzeyleri üstündeki etkisi göz ardı edilemez; bu durumda sistem, dış kabuktaki elektronların atomdan atoma atlayabilme olasılığını da kapsamalıdır. Her iki durumda da, uygun sistemi tanımlamak için, belli bir idealleştirmenin yapılması gerekir. Kuramsal fiziğin bir özelliği de, temel fiziği en basit biçimde dile getiren idealleştirmenin seçilmesidir.
Yasalar ve bakışımlar: Birkaç büyük korunum yasasının, fiziğin farklı dallarında farklı biçimler almasına karşın, bütün sistemler için geçerli olduğu deneylerle saptanmıştır. Korunumun anlamı, elektrik yükü, enerji, kütle, moment ve açısal moment gibi belirli niceliklerin, sistemin bütün bileşenlerinin hareketi sırasında değişmeden kalmasıdır (görelilik kuramı bakımından, kütle ve enerji birbiriyle ilişkilidir ve ayrı korunum yasalarına uymaları gerekmez)."Dışsal potansiyeller"in varlığı durumunda, bu yasalar görünüşte çiğnenebilir; ama sistem, dışsal alanları belirleyen nesnelerin hareketini kapsayacak biçimde genişletilirse, toplam niceliklerin gene kesin olarak korunduğu anlaşılır. Ayrıca, yalnızca yaklaşık olarak korunması gereken bazı korunum yasaları vardır; çekirdek ya da parçacık fiziğindeki izotop dönüsü, buna örnek gösterilebilir; bu örnekte, ancak daha zayıf, elektromagnetik etkiler göz ardı edilince "güçlü" bir etkileşme akımı korunur.
Herhangi bir sorunda, temel fiziğin ifadesi olan uygulanabilir hareket yasaları belirlenmelidir. Klasik sistemlerde (genel görelilik dışında), ilgili yasa tipik olarak Newton'ın ikinci yasasıdır: Kuvvet, kütle ile ivmenin çarpımına eşittir. Bu ifade, ayrık ve sürekli sistemlerde farklı biçimler alır; Newton'ın özgün dile getirişine çok az benzeyen bir biçimde de dile getirilebilir. Klasik elektromagnetizmada, gene nasıl dile getirilmiş olursa olsun (mekanik bir sisteme benzer biçimde de yazılabilir), Maxwell denklemleri geçerlidir. Kuvantum sistemleri için, temel tanımlama ve hesaplama yöntemine yerleştirilmesi gereken başka bir önemli ekleme vardır: Belirsizlik ilkesi.
Tümdengelim ve çıkarsama: Fiziğin dili, klasik sistemleri ve kuvantum sistemini tanımlamakta verimli biçimde kullanılabilen matematik olmakla birlikte, kuramsal fiziğin özünde yatan tanımlama çeşitliliği konusunda daha derin bir anlayış vardır. Bilim adamı, fizik yasalarının özünü içeren ve belirli bir deneysel sonucu yeniden üretebilen, ama aynı zamanda da bu özel deneyden bağımsız olacak ve birçok başka duruma uygulanabilecek kadargenel olan nicelikler arar. Sözgelimi herhangi bir kapalı yüzeyden geçen elektrostatik akı (yüzey üstündeki bütün noktalarda toplanan elektrik alanı ile yüzeyin alanının çarpımı), deneysel olarak her zaman o yüzeyin çevrelediği toplam yükle orantılıdır; yüzeyin küre ya da küp olması, büyük ya da küçük olması, hiçbir şeyi değiştirmez. Bu deneysel gerçek, belirlenmiş bir p yük yoğunluğunun (birim hacme düşen elektrik yükünün) bir elektrostatik E alanı oluşturmasını tanımlayan bir ifadeye dönüştürülebilir: Gauss yasası adı verilen bu ilişki, yüklerle ve elektrostatik alanlarla ilgili birçok başka duruma uygulanabilir. Bilim adamları, tümdengelim yöntemiyle, belirli bir deneyden yola çıkarak fiziksel niceliklerle ilgili en temel ifadeye ulaşmaya çalışırlar.
Kuramsal tanımlamaların kökeninde yalnızca böyle bir tümdengelim yatmaz; "çıkarsama" diye adlandırıla bilecek daha ender ve daha çok değer verilen bir etkinlik daha vardır. Fizik yasalarının matematiksel ifadesinin, belirli bir bakışım ya da sıklığı vardır (ya da olmalıdır). Estetik savların, bir kuramın daha doğru bir yorumuna giden yolu gösterdiği birkaç büyük durum olmuştur: Maxwell'in, somut deneylerden çok bakışım gerekçesiyle, elektromagnetik "sürülme akımı"nı öngörmesi; Einstein'ın özel ve genel görelilik kuramlarını ortaya atması; vb. Bu başarılı kuramsal varsayımlar, deneylerle doğrulanan öyle çok öngörüye kaynaklık etmişlerdir ki, ister istemez fiziksel olarak doğru sayılmaktadırlar. Ama estetik temele dayanan böyle başarılı ya da tamamlanmış kuramların sayısı çok azdır.
Bu yolla kuram oluşturma çalışmaları sürdürülmektedir; temel parçacık kuramı alanında yapılan bütünleştirme çalışmaları, günümüzde bazı bilim adamlarının tek uğraşısıdır. En ısrarlı kuramsal önerilerden biri, elektrostatikle örnekleme kurularak, yalıtılmış magnetik kutupların yada tekkutupların kullanılmasıyla ilgilidir. Başka bir örnek de Chen Ning Yang ve Robert L. Mills'in 1954'te ortaya attıkları güçlü etkileşmelerle ilgili "ölçü değişmezliği yerel kuramı"dır. Son bir örnek de, 1960 yıllarında geliştirilen ve temel parçacıkları tekboyutlu varlıklar olarak ele alan diziler kuramıdır. Üstündizi kuramlarıysa, bütün temel kuvvetleri ve parçacıkları uzlaştırmayı amaç alan çok yeni yorumlardır.