Theoretische Physik

Dieser Text beschreibt Theoretische Physik.

Die Theoretische Physik beschreibt Gesetzmäßigkeiten der Physik mit Hilfe von Theorien. Eine physikalische Theorie ist dabei nicht einfach eine Zusammenfassung der Ergebnisse vergangener Experimente, sondern liefert eine durchgängige Beschreibung eines Teilbereichs der Wirklichkeit, mit deren Hilfe die Ergebnisse von neuen, noch nicht durchgeführten Experimenten vorhergesagt werden können. Die Experimentalphysik überprüft dann wiederum die Theorie, indem entsprechende Experimente durchgeführt werden. Obwohl die Theorien mehr sind als ca. Folgerungen aus den Experimenten, haben letztlich die Experimente das letzte Wort: Wenn eine Theorie beim experimentellen Test "durchfällt", dann muss sie verworfen werden.

Fast stets haben grundlegende physikalische Theorien auch entscheidenden Einfluss auf unser Weltbild.

Für die Formulierung neuer Theorien gibt es mehrere Gründe:

• Das Problem wird zwar in dem 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 für makroskopische Körper 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 kleiner Gravitation und gleichzeitig kleiner 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 in dem Prinzip die beobachteten Phänomene beschreiben, aber nur, indem man sehr viele Beobachtungsdaten hineinsteckt (je mehr Parameter man hineinstecken muss, desto kleiner 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). Absicht der neuen Theorie ist es dann, mit weniger freien Parametern auszukommen.

Paradebeispiel war der Übergang vom geozentrischen zu dem heliozentrischen Weltbild. Die Geozentriker konnten in dem Prinzip die Planetenbahnen beschreiben, ca. mussten sie mehr und mehr Epizykeln (und damit mehr und mehr Beobachtungsparameter) hineinstecken. Kepler hingegen konnte mit seinen heliozentrischen Ellipsen dieselbe Planetenbewegung mit ca. einer Handvoll Parametern (pro Planet jeweils die Lage der Ellipse und die Größe der Halbachsen ) beschreiben.