Theoretische Physik

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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 (Aequivalenzrelationen), sind sie von heuristischem (d. h. der Erkenntnis förderlich) Wert für die Interpretation von Messergebnissen und für das Gewinnen neuer Erkenntnisse. Das heißt, 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.

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

[Bearbeiten] Notwendigkeit der Theoriefindung

Für die Formulierung neuer Theorien gibt es mehrere Gründe:

Das Problem wird zwar im Prinzip durch die bestehenden Theorien beschrieben, ist aber zu kompliziert, um es praktisch zu berechnen.

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.

Es existieren experimentelle Daten, die nicht von den vorhandenen Theorien erklärt werden können.

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).

Es existieren mehrere Theorien, die sich in bisherigen Experimenten bewährt haben, die aber nicht zusammenpassen.

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.

Die aktuelle Theorie kann zwar im Prinzip die beobachteten Phänomene beschreiben, aber nur, indem man sehr viele Beobachtungsdaten hineinsteckt.

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 mehr und mehr Epizykeln (und damit mehr und 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.

[Bearbeiten] Wichtige Teilgebiete

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

[Bearbeiten] Berühmte theoretische Physiker

(Siehe auch: Physiker mit dem dortigen ausführlichen Index)

Sir Isaac Newton (Grundlagen der Klassischen Mechanik)
James Clerk Maxwell (Elektrodynamik)
Albert Einstein (Relativitätstheorie, photoelektrischer Effekt; Nobelpreis 1921)
Niels Bohr (Atommodell; Nobelpreis 1922)
Max Planck (Nobelpreis 1918), Erwin Schrödinger (Nobelpreis 1933), Werner Heisenberg (Nobelpreis 1932) (alle Quantenmechanik)
Richard P. Feynman (Entwicklung der Quantenelektrodynamik, Nobelpreis 1965)
Lew Dawidowitsch Landau (Theorie der Suprafluidität; Nobelpreis 1962)
Leon N. Cooper (Theorie der Supraleitung; Nobelpreis 1972)

[Bearbeiten] Literatur

Landau/Lifschitz: Lehrbuch der theoretischen Physik Bd.1-10, Harri Deutsch Verlag
Arnold Sommerfeld: Vorlesungen über Theoretische Physik Bd.1-6, Harri Deutsch Verlag
Walter Greiner: Theoretische Physik, Harri Deutsch Verlag
Wolfgang Nolting: Grundkurs: Theoretische Physik, Springer Verlag
Eckhard Rebhan: Theoretische Physik Bd.1&2, Spektrum Akademischer Verlag
Friedhelm Kuypers: Klassische Mechanik, Wiley-VCH
Torsten Fliessbach: Theoretische Physik, Spektrum Akademischer Verlag