Teoretisk fysikk er den matematiske formuleringen av læren om hvordan materien oppfører seg under gitte betingelser. Teoretiske fysikk er basert på resultatene fra eksperimentell fysikk. Med utgangspunkt i observasjoner formuleres naturlover, og det konstrueres teorier som setter naturlovene i sammenheng med hverandre.
Man kan beregne forventede resultater av ulike eksperimenter ifølge bestemte teorier. Ved å sammenligne slike prediksjoner med observasjoner, kan teoriene testes. Dersom det oppstår uoverensstemmelser mellom observasjoner og prediksjoner, erkjenner man at teorien ikke er korrekt, eller at man har observert et fenomen som ligger utenfor teoriens anvendelsesområde.
Arbeidsmetode, mål
I teoretisk fysikk arbeider man med å utvide vår forståelse av den materielle delen av verden. Man anvender etablerte teorier, for eksempel relativitetsteorien og kvantemekanikken, på stadig nye fenomener, eller konstruerer nye og mer omfattende teorier. Man behandler både spørsmålet om hvilke partikler materien består av, hvordan partiklene beveger seg, hva slags stråling de kan sende ut og hvilke krefter som virker mellom dem. Kreftene beskrives ved hjelp av kraftfelter, for eksempel gravitasjonsfelter og elektromagnetiske felter.
Økt forståelse går ofte ut på å redusere ulike observerte fenomener til noen få grunnleggende egenskaper ved naturen. For eksempel kan alle stoffenes egenskaper forstås ut fra den forestilling at stoffene er bygd opp av tre typer elementærpartikler: elektroner, protoner og nøytroner. Kreftene mellom og i ulike legemer utleder man fra noen få fundamentale krefter mellom partiklene som legemene består av. Man prøver å konstruere teorier som gir en enhetlig oppfattelse av store grupper av fenomener.
Et eksempel er James Clerk Maxwells arbeid i 1850-årene. Før denne tiden ble optiske, magnetiske og elektriske fenomener oppfattet som uavhengige av hverandre. Maxwell konstruerte en enhetlig teori for slike fenomener, der lys er elektromagnetisk stråling, og magnetisme er den hastighetsavhengige delen av den elektromagnetiske kraften mellom ladninger (se Maxwells ligninger).
Fagområder
Teoretisk fysikk oppstod som en egen disiplin innenfor naturvitenskapen etter 1687 da Newton publiserte Principia. Det er i dag to hovedgrener innenfor teoretiske fysikk: Klassisk (det vil si ikke kvante-) teoretisk fysikk og kvantefysikk.
Klassisk teoretisk fysikk omfatter klassisk mekanikk, relativitetsteori, elektromagnetisme, statistisk mekanikk, termodynamikk, teorien for bølger, svingninger og optiske fenomener, plasmafysikk og klassisk feltteori.
Kvantefysikk omfatter kvantemekanikk, kvantefeltteori og kvantestatistisk fysikk. De tre best etablerte kvantefeltteoriene er kvante-elektrodynamikken (QED), kvantekromodynamikken (QCD), og den elektrosvake teorien (ET). QED beskriver kvante-aspekter ved elektromagnetismen, QCD den sterke kraften mellom kvarker, som gjør at de danner protoner og nøytroner, og ET er en forent teori for elektromagnetisme og svak kjernekraft. Det arbeides for tiden intenst mot det store målet; å konstruere en forenet teori for alle krefter og partikler, TOE.
