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Theoretische Physik

Die Theoretische Physik beschreibt Gesetzmäßigkeiten der Physik mit Hilfe von mathematisch formulierten Theorien. Aus den durch Beobachtung und Messung (experimentelle Physik) gewonnen Daten werden in der theoretischen Physik funktionale Beziehungen zwischen den untersuchten physikalischen Größen abstrahiert und als physikalische Gesetze formuliert beziehungsweise zu grundlegenden physikalischen Theorien verallgemeinert.

Eine wichtige Rolle im physikalischen Erkenntnisprozess spielen Modellvorstellungen, da viele physikalische Objekte und Erscheinungen nicht unmittelbar sinnlich erfassbar und nicht anschaulich vorstellbar sind. Obwohl Modelle oft nur unter gewissen Aspekten der Wirklichkeit entsprechen, sind sie oft von heuristischem (d. h. der Erkenntnis förderlich) Wert für die Interpretation von Messergebnissen und für das Gewinnen neuer Erkenntnisse. Eine physikalische Theorie sollte nicht nur schon bekannte physikalische Messdaten reproduzieren, sondern darüber hinaus Vorhersagen qualitativer wie quantitativer Natur über das betrachtete physikalische System machen, die bisher unbekannt waren und durch das Experiment überprüft werden können.

Die Gesamtheit der entwickelten Modelle und Theorien bezeichnet man als das physikalische Weltbild.

Inhaltsverzeichnis

Notwendigkeit der Theoriefindung

Für die Formulierung neuer Theorien gibt es mehrere Gründe:

Das dürfte bei weitem der häufigste Fall sein. In so einem Fall wird keine neue fundamentale Theorie, sondern eine Näherungstheorie aufgestellt. Beispielsweise wird in der Festkörperphysik der große, aber endliche Festkörper durch einen unendlichen Festkörper genähert. Das vereinfacht die Gleichungen erheblich und führt bei ausreichend großen Körpern zu vernachlässigbaren Fehlern. Sind diese Fehler nicht mehr vernachlässigbar, so können sie meist durch störungstheoretische Methoden berücksichtigt werden.
Dies ist der häufigste Anlass für eine neue fundamentale Theorie. Beispielsweise entstand die Quantenmechanik, um die unverstandenen Phänomene der Hohlraumstrahlung und später des Photoeffekts und der Spektrallinien von Atomen zu erklären.
Die Theorien reichen allerdings generell in ihrer Erklärungskraft und ihren Folgerungen wesentlich über die Probleme hinaus, wegen denen sie entwickelt wurden. So erklärt die Quantenmechanik, warum die Materie fest ist und warum die chemischen Elemente sich so und nicht anders verhalten, sie ist Grundlage der Halbleiterphysik und damit der gesamten modernen Elektronik, und sie hat unser Weltbild grundlegend revolutioniert (so grundlegend, dass bis heute keine Einigkeit über die Folgerungen für unser Weltbild besteht).
In diesem Fall wird nach einer Theorie gesucht, die beide vorherigen Theorien als Spezialfälle umfasst. Dies war z.B. bei Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie der Fall: Newtons Gravitationstheorie (mit instantaner Fernwirkung) passte nicht zur speziellen Relativitätstheorie (mit der Relativität der Gleichzeitigkeit und der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit als Höchstgeschwindigkeit). Die Allgemeine Relativitätstheorie liefert sowohl die spezielle Relativitätstheorie als Spezialfall verschwindender Gravitation, als auch die Newtonsche Gravitationstheorie als Spezialfall geringer Gravitation und gleichzeitig geringer Geschwindigkeiten.
Derzeit wird nach der Vereinheitlichung der beiden großen Theorien des 20. Jahrhunderts gesucht: Der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik.
Ziel der neuen Theorie ist es dann, mit weniger freien Parametern auszukommen. Je mehr Parameter man hineinstecken muss, desto geringer ist die Aussagekraft der Theorie. Extremfall ist eine Theorie, in die man so viele Parameter hineinsteckt, wie man Daten aus ihr erhält; diese Theorie hat überhaupt keine Aussagekraft mehr, da sie problemlos an fast beliebige Daten angepasst werden kann.
Paradebeispiel war der Übergang vom geozentrischen zum heliozentrischen Weltbild. Die Geozentriker konnten im Prinzip die Planetenbahnen beschreiben, nur mussten sie immer mehr Epizykeln (und damit immer mehr Beobachtungsparameter) hineinstecken. Kepler hingegen konnte mit seinen heliozentrischen Ellipsen dieselbe Planetenbewegung mit nur einer Handvoll Parametern (pro Planet jeweils die Lage der Ellipse und die Größe der Halbachsen) beschreiben.

Wichtige Teilgebiete

Daneben gibt es interdisziplinäre Forschung mit Beteiligung der Theoretischen Physik, etwa die Physikalische Chemie oder Elemente der Chaostheorie.

Berühmte theoretische Physiker

(Siehe auch: Physiker mit dem dortigen ausführlichen Index)

Literatur

Siehe auch

 Wikibooks: Lehrbücher zum Thema Physik – Lern- und Lehrmaterialien