Теориялық физика

Теориялық физика — табиғатты тану үшін ондағы болып жатқан құбылыстардың математикалық моделін жасап, оны шындықпен салыстыру әдісін қолданатын физиканың бөлімі. Мұндай анықтама аясында теориялық физика табиғаттанудың жеке әдісі болып табылады. Алайда оның зерделеу аумағы жасалған тәжірибелер мен табиғатта болып жатқан құбылыстарды ескере отырып пайда болады. Басқаша айтар болсақ, теориялық физика — физикалық құбылыстарды және оларды сипаттайтын заңдарды бір-бірімен өзара байланыстыра отырып түсіндіретін жүйелі білім Математикалық физика теориялық физикаға жақын сала болып табылады, бірақ ол математикалық моделдерді математиканың қатал деңгейде зерттеп, оны табиғаттағы нақты жағдайлармен салыстырмайды.

Сипаттамасы

Адамдар табиғат құбылысын зерттей отырып, негізінен мына үш сұрақка жауап іздейді. Қандай құбылыс жүріп жатыр? Қалай жүріп жатыр? Неге бұлай жүріп жатыр? Бірінші сұраққа жауап алу үшін бақылау жүргізеді. Екінші сұрақта эксперименттің рөлі арта түседі. Ал соңғы сұраққа негізгі жауапты физикалық теориядан аламыз. Сөйтіп, физикалық теорияның негізгі қызметі құбылысты түсіндіру болып табылады.

Физикалық теория құрамына: құбылыстың сипаттамасы, эксперименттердің нәтижелері, ұғымдар, негізгі идеялар, модельдер, болжамдар, заңдылықтар, зерттеу әдістері (математикалық әдістер де) кіреді. Теориялық зерттеу әдістерінің негізіне адамның ой қорытуы жатады. Физикалық құбылыстардың сипатына қарай физикалық теориялар да әр түрлі болып келеді. Алайда, физикалық құбылыстарды, олардың сан алуандығына қарамастан, бірнеше іргелі физикалық теориялар теңірегінде ғана топтастыруға болады. Төменде олардың қандай құбылыстарға арналатыны масалдармен келтірілген:

• Жылдамдығы аз, ірі (макроскопиялық) денелердің механикалық қозғалысына байланысты кұбылыстарды Ньютонның классикалық механика теориясы түсіндіреді.
• Жылулық құбылыстарға байланысты сұрақтарды термодинамика және молекулалық физика теориясынан ұғынуға болады. Бұл теория мынадай сұрақтарға да жауап береді: денелер қызғанда неге ұлғаяды? Ыстық шайға салған қасық неліктен қызады? Heгe бір дене жылуды жақсы, ал екіншісі нашар өткізеді?
• Электрлік және магниттік құбылыстар, солардың ішінде радиотолқындардың алынуы мен таралуы, сондай-ақ электромагниттің қасиеттері және электр тогының пайда болуы электродинамика теориясында баяндалады.
• Өте жылдам козғалатын, көзге көрінбейтін элементар бөлшектерге байланысты құбылыстарды кванттық механика теориясы түсіндіре алады. Мектептегі физика пәні бүл теориялар туралы жалпы мағлұмат береді.

Теориялык әдістердің басқа әдістерден басты ерекшелігінің бірі - еуристикалық (болжағыштық) пайымдаулар жасай алуы. Ғылыми теориялар құбылысты түсіндіріп қана қоймайды, олардың келешекте қалай өтетінін алдын ала болжап айтуға да мүмкіндік береді.

Тарихы

Физикалық теорияның тарихи дамуына мысал ретінде заттың құрылысы туралы молекулалы-кинетикалық теорияның қалыптасуын алуға болады.

Ежелден-ақ адамдарды табиғаттағы заттардың түрленуі, бір күйден екінші күйге ауысып, қасиеттерін өзгертуі ойландырып келді. Мысалы, неге су қатып, мұзға айналады, ал қыздырғанда буға айналып кетеді? Сол сияқты металдар да қыздырғанда балқиды да, суытқанда қатаяды. Ал олар булана ала ма? Заттың құрылысы туралы теория осындай сұрақтарға нақты жауаптар бере алады.

Алғаш рет денелердің барлығы да өте кішкентай бөлшектерден тұрады деген идея ертедегі Эллада елінде қалыптасты. Оның негізін салушы - грек ғұламасы Демокрит (б.з.б. 460- 370). Ол кез келген денені ұсақтап бөле отырып, ең соңында бөлінбейтін бөлшек - атомды (көне грекше: ἄτομος - бөлінбейтін) алуға болады деді. Атомдар үздіксіз козғалады, әр түрлі денелердің атомдарының пішіні мен көлемдері де өр түрлі болады деп пайымдады.

Демокриттің идеясын Эпикур (б.з.б. 341-270) одан әрі дамытты. Ол да Демокрит сияқты атомдар өздерінің пішіні мен көлеміне және салмағына қарай әр түрлі болады деп қорытты. Заттың құрылысы туралы мұндай пайымдаулар эксперимент жүзінде дәлелденбеген, тек жорамалдар ғана еді. Сондықтан заттың атомдық құрылысы туралы ілім ұзақ уақыт қолдау таппады. Тіпті ұлы Аристотельдің өзі де Демокриттің көзқарасымен келіспеді. Ол денені шексіз ұсақтап беле беруге болады деді. Ал Еуропада қайта өрлеу дәуірінің өзінде де (XVII ғ.) заттың атомдардан тұратыны туралы ілімді таратушыларды өлім жазасына кесетін болды. Соған қарамастан өзінің ғылыми көзқарасы үшін отқа өртенген Джордано Бруно (1548-1600) заттардың атомдардан тұратынын қорғаумен өтті. Қайта өрлеу дәуірінің соңына қарай заттың атомдық құрылысы туралы ілім толық жеңіске жетті. Оған көптеген ұлы ғалымдардың еңбектері мен ашқан жаңалықтары өсер етті.

Зат кұрылысының молекулалы-кинетикалық теориясының негізгі қағидаларын кейінірек М.В. Ломоносов былай қорытындылап берді: 1) Барлық заттар өте ұсақ бөлшектерден - молекулалар мен атомдардан (Ломоносовша «корпускулалардан») тұрады; 2) Молекулалар мен атомдар үздіксіз ретсіз қозғалыста болады; 3) Молекулалар мен атомдар өзара әрекеттеседі.

XIX ғасырдағы эксперименттік зерттеулер зат құрылысы туралы молекулалы-кинетикалық теорияның барлық қағидаларының орындалатынын көрсетті. Мысалы, 1827 жылы ағылшын ғалымы Р. Броун (1773-1858) эксперимент жүзінде молекулалардың үздіксіз әрі ретсіз козғалыста болатынын дәлелдеді. Ол өсімдіктердің сұйықтықтағы тозаңшаларын микроскопта бақылау барысында олардың үздіксіз және ретсіз қозғалыста болатынын көрді. Here өсімдік тозаңшалары тынық сұйықтықта ретсіз қозғалыста болады? Бұл сұрақтың жауабын молекулалы-кинетикалық теория береді.

Расында да, үнемі үздіксіз және ретсіз қозғалыста болатын сүйык молекулалары тозаңшаны жан-жағынан соққылайды. Олардың соққылауы үздіксіз және әр түрлі бағытта болатындықтан, тозаңшалар да үздіксіз әрі ретсіз қозғалысқа түседі. Ұсақ бөлшектердің (шаң-тозаңның, т. б.) ауа мен сұйықтықтардағы ретсіз әрі үздіксіз қозғалуы броундық қозғалыс деп аталады. Бөлшектердің броундық қозғалысы атомдар мен молекулалардың бейберекет үздіксіз қозғалысының салдары болып табылады.

Қазіргі кезде металдардағы молекулалар мен атомдарды үлкейтіп көрсететін электрондық микроскоптар мен иондық проекторлар бар.

Ғылыми теорияның мәні құбылысты түсіндірумен ғана шектелмейді. Ол және құбылыстарды болжап, заттардың жаңадан туатын сапалық қасиеттерін де алдын ала айтып беруге жәрдемдеседі. Шынында да, молекулалы-кинетикалық теорияға негіздеп қасиеттері мүлдем жаңа материалдарды қолдан жасап алу мүмкіндігі туды. Мысалы, табиғи алмастан (қырналған алмасты бриллиант дейді) кем түспейтін жасанды алмастар жасалды.

Алмас да, көмір де көміртегі атомдарынан тұрады. Бірақ көміртегі атомдарының орналасуына қарай кәдімгі жұмсақ көмір (графит) немесе әлемдегі ең қатты алмас алынады. Алмасты алу үшін қажетті қысым мен температураның шамасын алдын ала есептеуге болады. Жоғары температурада үлкен қысым түсіріп, графит атомдарын табиғи алмастағы сияқты орналастыра аламыз. Сөйтіп, өте жұмсак графиттен табиғаттағы ең қатты зат - алмас алынады. Алмастан бриллиант жасалады. Сондай-ақ алмас бұрғылау станоктарында, материалдарды өңдеуде және басқа да мақсаттар үшін қолданады.

Қымбат бағалы асыл тастарды да осындай жолдармен алуға болады. Ондай тастар кристалдар деп аталады. Теория олардың механикалық, оптикалык, электрлік, т. б. қасиеттерін алдын ала болжауға жәрдемдеседі.

Қазіргі уақытта қажетті қасиеттері бар қолдан алынатын жасанды материалдардың түрлері өте көп. Солардың қатарында металдар мен пластмассалардың қосылыстарын атауға болады. Ондай металпластмассалардың сапасы да ерекше. Мысалы, жай пластмассалар электр тогын өткізбейді, ал металпластмассалар токты жақсы өткізеді, оның үстіне металдарға қарағанда өте жеңіл әрі берік.

Міне, осылайша зат құрылысының молекулалы-кинетикалық теориясы экспериментте дәлелденіп, ғылым мен өндірісте және тұрмыста кең қолданыс тапты. Осы сияқты физиканың басқа да іргелі теориялары адамзаттың ақыл-ойының дамуына, өркениеттің өрістеуіне орасан зор үлес қосуда.