సైద్ధాంతిక భౌతిక శాస్త్రం

ఒక స్క్వార్జ్‌చైల్డ్ వార్మ్‌హోల్ యొక్క ఊహాజనిత చిత్రం. వార్మ్‌హోల్స్ ఎప్పుడూ ప్రత్యక్షంగా కనిపించలేదు, కానీ గణిత నమూనాలు, శాస్త్రీయ సిద్ధాంతాల ద్వారా ఇవి ఉండవచ్చని శాస్త్రవేత్తలు చెబుతున్నారు.

సైద్ధాంతిక భౌతిక శాస్త్రం (Theoretical physics) అనేది భౌతిక శాస్త్రంలో ఒక ముఖ్యమైన భాగం. ఇది ప్రకృతిలో జరిగే రకరకాల విషయాలను వివరించడానికి, అర్థం చేసుకోవడానికి, అలాగే ముందుగానే ఊహించడానికి గణిత నమూనాలు (mathematical models), భౌతిక వస్తువుల యొక్క ఊహాత్మక రూపాలను ఉపయోగిస్తుంది. దీనికి విరుద్ధంగా, ప్రయోగాత్మక భౌతిక శాస్త్రం (experimental physics) ప్రయోగాల ద్వారా, పరికరాల ద్వారా ప్రకృతిలోని విషయాలను పరిశీలిస్తుంది.

సాధారణంగా విజ్ఞాన శాస్త్రం అభివృద్ధి చెందడానికి ప్రయోగాలు, సిద్ధాంతాలు రెండూ ఒకదానితో ఒకటి కలిసి పనిచేయాలి. కొన్ని సందర్భాల్లో, సైద్ధాంతిక భౌతిక శాస్త్రం కేవలం గణిత నియమాలపై మాత్రమే ఆధారపడి ఉంటుంది. అప్పుడు ప్రయోగాలు లేదా పరిశీలనలకు తక్కువ ప్రాముఖ్యత ఇస్తుంది.సైద్ధాంతిక భౌతిక శాస్త్రం కేవలం సిద్ధాంతాలను రూపొందించడానికి గణితాన్ని వాడుతుందా లేక భౌతిక విషయాలను లోతుగా అర్థం చేసుకోవడానికి వాడుతుందా అనే దానిపై శాస్త్రవేత్తల మధ్య చర్చ జరుగుతోంది. ఇది సాధారణ అనుభవం పని చేయని చోట ఊహలను పెంచడానికి సహాయపడుతుంది. ఉదాహరణకు, ఆల్బర్ట్ ఐన్‌స్టీన్ తన ప్రత్యేక సాపేక్ష సిద్ధాంతాన్ని (special relativity) అభివృద్ధి చేస్తున్నప్పుడు, మాక్స్‌వెల్ సమీకరణాలను మార్చకుండా ఉంచే లోరెంట్జ్ రూపాంతరాల గురించి ఆలోచించారు. కానీ భూమి ఈథర్ ద్వారా ప్రయాణించేటప్పుడు జరిగే మార్పులను చూపే మైకెల్సన్-మోర్లే ప్రయోగం గురించి ఆయన అప్పుడు పెద్దగా పట్టించుకోలేదు. మరోవైపు, ప్రయోగాలు చేసినా సరైన సిద్ధాంతం లేని కాంతి విద్యుత్ ప్రభావం (photoelectric effect) అనే విషయాన్ని వివరించినందుకు ఐన్‌స్టీన్‌కు నోబెల్ బహుమతి లభించింది.

అవలోకనం

ఒక భౌతిక సిద్ధాంతం (physical theory) అనేది భౌతిక సంఘటనలను వివరించే ఒక నమూనా. ఈ సిద్ధాంతం చేసే ఊహలు ఎంతవరకు నిజమవుతాయో చూసి దాని విలువను నిర్ణయిస్తారు. అలాగే, కొత్త విషయాలను ముందుగానే ఊహించగలగడం, ఆ ఊహలు ప్రయోగాల్లో నిజమని తేలడం కూడా సిద్ధాంతం యొక్క గొప్పతనాన్ని తెలియజేస్తాయి. ఒక భౌతిక సిద్ధాంతం అనేది గణిత సిద్ధాంతం (mathematical theorem) కంటే భిన్నంగా ఉంటుంది. గణితంలో అన్నీ నిరూపితమైన సూత్రాల మీద ఆధారపడతాయి, కానీ భౌతిక సిద్ధాంతం నిజమని ఒప్పుకోవాలంటే అది ప్రయోగ ఫలితాలతో సరిపోవాలి. గణితంలో వాడే "థియరీ" అనే పదానికి, భౌతిక శాస్త్రంలో వాడే "సిద్ధాంతం" అనే పదానికి అర్థం వేరుగా ఉంటుంది.కొన్నిసార్లు "థియరీ" అనే పదాన్ని ఒక పరిశోధనా రంగాన్ని సూచించడానికి కూడా ఉపయోగిస్తారు. ఉదాహరణకు: సాపేక్ష సిద్ధాంతం, క్వాంటం ఫీల్డ్ థియరీ, స్ట్రింగ్ థియరీ.

సాధారణ సాపేక్ష సిద్ధాంతంలో కాలం, ఆకాశం (spacetime) యొక్క వక్రతను వివరించడానికి వాడే ఐన్‌స్టీన్ మానిఫోల్డ్ సమీకరణాలు

ఒక భౌతిక సిద్ధాంతంలో కొలవగలిగే వివిధ అంశాల మధ్య సంబంధాలు ఉంటాయి. ఉదాహరణకు, ఆర్కిమెడిస్ ఒక ఓడ నీటిపై ఎలా తేలుతుందో కనుగొన్నారు. ఒక ఓడ తన బరువుకు సమానమైన నీటిని పక్కకు జరిపినప్పుడు అది నీటిపై తేలుతుందని ఆయన చెప్పారు. అలాగే, పైథాగరస్ ఒక తీగ పొడవుకు, దాని నుండి వచ్చే సంగీతానికి మధ్య ఉన్న సంబంధాన్ని గుర్తించారు. ఇతర ఉదాహరణలు చూస్తే, కంటికి కనిపించని అణువుల కదలికల గురించి చెప్పే ఎంట్రోపీ, మరియు శక్తులు చిన్న చిన్న భాగాలుగా (క్వాంటా) ఉంటాయని చెప్పే క్వాంటం మెకానిక్స్ వంటివి ఉన్నాయి.

సైద్ధాంతిక భౌతిక శాస్త్రంలో రకరకాల పద్ధతులు ఉంటాయి. ఉదాహరణకు కణ భౌతిక శాస్త్రంలో ఇలాంటివి చూడవచ్చు:

ఫినామినాలజిస్ట్లు (Phenomenologists): వీరు ప్రయోగ ఫలితాలకు సరిపోయేలా గణిత సూత్రాలను వాడుతుంటారు, కానీ ఆ విషయం వెనుక ఉన్న లోతైన భౌతిక కారణాలను ఎప్పుడూ పూర్తిగా వివరించలేకపోవచ్చు.స్పెక్ట్రోస్కోపీలో బామర్, రిడ్‌బర్గ్ చేసిన కృషి మరియు కేంద్రక భౌతిక శాస్త్రంలోని మాస్ ఫార్ములా దీనికి ఉదాహరణలుగా చెప్పవచ్చు.

మోడలర్స్ (Modelers): వీరు ప్రయోగాలు కాకుండా, ఊహల్లో ఉన్న సిద్ధాంతాలకు నమూనాలను తయారు చేస్తారు. సౌర కుటుంబం గురించి చెప్పే పాత నమూనాలు, అణువు గురించి చెప్పే బోర్ నమూనా ఇలాంటివే.సౌర కుటుంబం గురించి టోలెమీ, కోపర్నికస్ చెప్పిన నమూనాలు, హైడ్రోజన్ అణువు కోసం బోర్ నమూనా దీనికి ఉదాహరణలు.

ఎఫెక్టివ్ థియరీస్ (Effective field theories): కొన్నిసార్లు అసలు సిద్ధాంతం చాలా కష్టంగా ఉన్నప్పుడు, దానిని సులభం చేసి చిన్న చిన్న సిద్ధాంతాలను తయారు చేస్తారు.

ఏకీకృత సిద్ధాంతాలు (Unified theories): కొందరు శాస్త్రవేత్తలు పాత సిద్ధాంతాలను కలిపి ఒకే పెద్ద సిద్ధాంతంగా మార్చడానికి ప్రయత్నిస్తారు. ఐన్‌స్టీన్, న్యూటన్, మాక్స్‌వెల్ వంటి వారు ఇలాంటి కృషి చేశారు.

పాత, తప్పుడు అభిప్రాయాలను తొలగించడం ద్వారా సైద్ధాంతిక భౌతిక శాస్త్రం ముందుకు వెళుతుంది. ఉదాహరణకు, కాంతి ప్రయాణించడానికి "ఈథర్" అనే పదార్థం అవసరమని పూర్వం భావించేవారు, కానీ తర్వాత అది తప్పు అని తెలిసింది. అలాగే భూమి చుట్టూ గ్రహాలు తిరుగుతాయనే పాత నమ్మకం పోయి, సూర్యుడి చుట్టూ తిరుగుతాయనే నిజం తెలిసింది. కొన్నిసార్లు రెండు వేర్వేరు సిద్ధాంతాలు కలిసి కొత్త సిద్ధాంతంగా మారుతాయి, దీనికి తరంగ-కణ ద్వంద్వ ప్రవృత్తి (wave-particle duality) ఒక మంచి ఉదాహరణ.

గణితం మరియు భౌతిక శాస్త్రం మధ్య సంబంధం

ఒక సిద్ధాంతం సరైన ఊహలు చేస్తే దానిని అందరూ అంగీకరిస్తారు. సిద్ధాంతం ఎంత సరళంగా, అందంగా ఉంటే అంత మంచిది. దీనినే "ఓకామ్స్ రేజర్" అని పిలుస్తారు. అంటే, ఒకే విషయాన్ని రెండు సిద్ధాంతాలు వివరిస్తుంటే, ఏది సులభంగా ఉందో దానికే ఎక్కువ ప్రాధాన్యత ఇస్తారు. సిద్ధాంతాలను పరీక్షించడం అనేది శాస్త్రీయ పద్ధతిలో ఒక భాగం.

భౌతిక సిద్ధాంతాలను మూడు రకాలుగా విభజించవచ్చు: ప్రధాన సిద్ధాంతాలు (Mainstream), ప్రతిపాదిత సిద్ధాంతాలు (Proposed), మరియు అంచు సిద్ధాంతాలు (Fringe).

చరిత్ర

సైద్ధాంతిక భౌతిక శాస్త్రం దాదాపు 2,300 ఏళ్ల క్రితమే మొదలైంది. ప్రాచీన గ్రీకు దేశంలో ప్లేటో, అరిస్టాటిల్ వంటి వారు దీనికి పునాదులు వేశారు. మధ్య యుగాలలో గణితం, రేఖాగణితం, ఖగోళ శాస్త్రం వంటివి నేర్పించేవారు. మధ్య యుగాలు, పునర్జీవన కాలంలో ఇబ్న్ అల్-హైతమ్, ఫ్రాన్సిస్ బేకన్ వంటి వారు ప్రయోగాలకు ప్రాధాన్యత ఇవ్వడం మొదలుపెట్టారు. కోపర్నికస్, కెప్లర్, గెలీలియో వంటి వారి కృషి వల్ల ఆధునిక విజ్ఞాన శాస్త్ర విప్లవం వచ్చింది.

గెలీలియో గెలీలీ ప్రయోగాలు, సిద్ధాంతాలు రెండింటిలోనూ గొప్పవారు. ఆయన తర్వాత ఐజాక్ న్యూటన్ తన ప్రసిద్ధ గ్రంథం ప్రిన్సిపియా మాథమెటికాలో గురుత్వాకర్షణ, చలన నియమాలను వివరించారు. ఇది 20వ శతాబ్దం వరకు ప్రపంచం గురించి మనకున్న అవగాహనను శాసించింది. 18, 19 శతాబ్దాలలో లాగ్రాంజ్, ఆయిలర్, హామిల్టన్ వంటి వారు భౌతిక శాస్త్రంలో గణితాన్ని మరింతగా పెంచారు.

19వ శతాబ్దంలో శక్తి, వేడి, విద్యుత్, అయస్కాంతత్వం, కాంతి వంటి విషయాల మీద అవగాహన పెరిగింది. లార్డ్ కెల్విన్, క్లాసియస్ వంటి వారు ఉష్ణగతిక శాస్త్రం (thermodynamics) లో ముఖ్యమైన సూత్రాలను కనుగొన్నారు. జేమ్స్ క్లర్క్ మాక్స్‌వెల్ విద్యుత్, అయస్కాంతత్వం, కాంతిని కలిపి విద్యుదయస్కాంత సిద్ధాంతాన్ని (electromagnetic theory) రూపొందించారు.

20వ శతాబ్దంలో ఆధునిక భౌతిక శాస్త్రానికి రెండు ముఖ్యమైన స్తంభాలు వచ్చాయి. అవి: ఐన్‌స్టీన్ చెప్పిన సాపేక్ష సిద్ధాంతం, మరియు హైసెన్‌బర్గ్, స్క్రోడింజర్ వంటి వారు చెప్పిన క్వాంటం మెకానిక్స్. క్వాంటం మెకానిక్స్ వల్ల అణువుల లోపల ఉండే నిర్మాణం అర్థమైంది. రెండో ప్రపంచ యుద్ధం తర్వాత క్వాంటం ఫీల్డ్ థియరీ (QFT) అభివృద్ధి చెందింది. 1960, 70లలో కణ భౌతిక శాస్త్రానికి సంబంధించిన "స్టాండర్డ్ మోడల్" తయారైంది. ఇవన్నీ భౌతిక శాస్త్రంలో కొత్త ఆలోచనలకు దారితీశాయి.

ప్రధాన సిద్ధాంతాలు

ప్రధాన సిద్ధాంతాలు అంటే అందరూ అంగీకరించిన శాస్త్రీయ నిజాలు. వీటిని పదే పదే ప్రయోగాల ద్వారా నిరూపించారు. ఇవి చాలా కాలంగా వాడుకలో ఉన్నాయి.

ఉదాహరణలు

బిగ్ బ్యాంగ్ (విశ్వ ఆవిర్భావం)

ఖోస్ థియరీ

సాంప్రదాయ యంత్ర శాస్త్రం

క్లాసికల్ ఫీల్డ్ థియరీ

డైనమో సిద్ధాంతం

క్షేత్ర సిద్ధాంతం

వాయువుల గతిజ సిద్ధాంతం

క్లాసికల్ ఎలక్ట్రోమాగ్నెటిజం

భౌతిక విశ్వశాస్త్రం

క్వాంటం మెకానిక్స్

క్వాంటం ఎలక్ట్రోడైనమిక్స్

క్వాంటం ఫీల్డ్ థియరీ

స్టాండర్డ్ మోడల్

గణాంక భౌతిక శాస్త్రం

సాపేక్ష సిద్ధాంతం

తరంగ-కణ ద్వంద్వ ప్రవృత్తి Template:Colend

ప్రతిపాదిత సిద్ధాంతాలు (Proposed theories)

ఇవి భౌతిక శాస్త్రంలో కొత్తగా వస్తున్న సిద్ధాంతాలు. వీటిని పూర్తిగా నిరూపించడానికి ఇంకా ప్రయోగాలు జరగాల్సి ఉంది. కొన్ని సిద్ధాంతాలు దశాబ్దాల కాలంగా ఉన్నా, వాటిని పరీక్షించడం కష్టంగా ఉంది. ఉదాహరణకు:

AdS/CFT correspondence

అయస్కాంత ఏకధ్రువాలు

స్ట్రింగ్ థియరీ (తీగల సిద్ధాంతం)

అన్నింటినీ వివరించే సిద్ధాంతం

గ్రావిటాన్

వార్మ్‌హోల్ (పురుగు రంధ్రం)

అంచు సిద్ధాంతాలు

అంచు సిద్ధాంతాలు అంటే చాలా కొత్తగా ఉండేవి లేదా కొద్దిమంది మాత్రమే నమ్మేవి. ఇవి కొన్నిసార్లు నిజమని తేలి ప్రధాన సిద్ధాంతాలుగా మారతాయి, మరికొన్నిసార్లు తప్పు అని తేలిపోతాయి. వీటిలో కొన్ని నకిలీ విజ్ఞాన శాస్త్రం (pseudoscience) లాగా కూడా ఉండవచ్చు.

ఉదాహరణలు

ఈథర్ సిద్ధాంతం

డిజిటల్ ఫిజిక్స్

ఎలక్ట్రో గ్రావిటిక్స్

నికోలా టెస్లా చెప్పిన గురుత్వాకర్షణ సిద్ధాంతం Template:Colend

ఆలోచనా ప్రయోగాలు vs నిజమైన ప్రయోగాలు

"ఆలోచనా ప్రయోగాలు" (Thought experiments) అంటే ప్రయోగశాలలో కాకుండా కేవలం మనసులో చేసే ఊహలు. "ఒకవేళ ఇలా జరిగితే, అప్పుడు ఏమవుతుంది?" అని ప్రశ్నించుకోవడం ద్వారా వీటిని చేస్తారు. సాధారణ జీవితంలో సాధ్యం కాని విషయాలను అర్థం చేసుకోవడానికి ఇవి వాడతారు. ప్రసిద్ధ ఉదాహరణలు:

స్క్రోడింజర్ పిల్లి (Schrödinger's cat): క్వాంటం మెకానిక్స్ గురించి అర్థం చేసుకోవడానికి వాడతారు.

కాల విస్తరణ (Time dilation): వేగంగా ప్రయాణిస్తే కాలం నెమ్మదిగా సాగుతుందని చెప్పే ఉదాహరణ.

ఇలాంటి ఆలోచనా ప్రయోగాల వల్ల తర్వాత నిజమైన ప్రయోగాలు చేయడానికి మార్గం ఏర్పడుతుంది. క్వాంటం మెకానిక్స్‌లో ఇలాంటి అనేక ప్రయోగాలు చేసి, సిద్ధాంతాలు నిజమని నిరూపించారు.

ఇవి కూడా చూడండి

ప్రముఖ సైద్ధాంతిక భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు

భౌతిక శాస్త్ర తత్వశాస్త్రం

మరిన్ని వివరాల కోసం

Feynman, et al. The Feynman Lectures on Physics (3 vol.). First edition: Addison–Wesley, (1964, 1966).

Landau et al. Course of Theoretical Physics.

బయటి లింకులు

MIT సైద్ధాంతిక భౌతిక శాస్త్ర కేంద్రం

మంచి సైద్ధాంతిక భౌతిక శాస్త్రవేత్త ఎలా అవ్వాలి, గెరార్డ్ టి హూఫ్ట్ రూపొందించిన వెబ్‌సైట్.