Theoretische natuurkunde
De theoretische natuurkunde of theoretische fysica is een tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met het vormen van nieuwe natuurkundige theorieën. Daarmee onderscheidt deze tak zich van de experimentele natuurkunde, die theorieën met behulp van experimenten verifieert of weerlegt, en de technische natuurkunde, die de bekende natuurkundige wetten toepast in apparaten, machines, vliegtuigen, energiecentrales enz.
[bewerk] Beschrijving
Er zijn grofweg twee vormen van theorievorming in de natuurkunde. De ene blijft dicht bij de gemeten verschijnselen en probeert deze als het ware samen te vatten in een wet; dit noemt men wel een fenomenologische theorie. De andere poneert een of meer basisprincipes en leidt vervolgens af wat de gevolgen zijn van die principes; als die een goede verklaring blijken te bieden voor een grote klasse van verschijnselen, wordt de theorie beschouwd als bevredigend. Een voorbeeld van een fenomenologische wet is de wet van Hooke over de kracht die je nodig hebt om een veer uit te rekken: die beschrijft geen onderliggende principes maar alleen het directe verband tussen twee verschijnselen (kracht en uitrekking). Een voorbeeld van het tweede type is de relativiteitstheorie: die gaat uit van een paar postulaten (een soort "geponeerde" basisprincipes) en leidt daaruit een heel wereldbeeld af, dat pas jaren later experimenteel getoetst is.
Naast theorievorming houdt de theoretische natuurkunde zich ook bezig met het uitwerken van theorieën. Zo probeert men, op basis van de al lang getoetste en geaccepteerde wetten voor het gedrag van elektronen, het gedrag van atomen te berekenen. Deze afgeleide wetmatigheden bevatten uiteraard geen nieuwe basisprincipes, maar kunnen nuttig zijn als extra methode om de theorie te toetsen en voor eventuele toepassingen.
Voor alle soorten theorie geldt dat ze uiteindelijk geverifieerd moeten worden met experimenten om beschouwd te worden als waardevol. Dit is een principe van de wetenschappelijke methode. Iets mag pas als een wetenschappelijke theorie gelden, als er experimenten denkbaar zijn waarvan een bepaalde uitkomst zou betekenen dat de theorie verworpen zou worden: de theorie moet falsifieerbaar zijn. Tegen de snaartheorie wordt vaak als bezwaar ingebracht dat zulke experimenten misschien niet haalbaar zijn. Overigens is de allereerste toets natuurlijk dat de theorie geen bekende verschijnselen mag tegenspreken.
[bewerk] Geschiedenis
De theoretische natuurkunde is ouder dan de experimentele natuurkunde: de oude Grieken filosofeerden wel over de natuur maar deden geen experimenten om hun theorieën te testen. Zo beweerde Aristoteles dat zware voorwerpen sneller vallen dan lichte. Dit zou eenvoudig te testen zijn geweest, maar een 'heer van stand', zoals de Griekse intellectueel zich zag, hield zich verre van handwerk. De bewering werd pas in de nieuwe tijd weerlegd; toen kwam de wetenschappelijke methode op die de theorie toetst aan de praktijk.
Lange tijd waren de meeste theoretici eveneens experimentators, die zelf hun theorieën testten. Galilei deed nog zelf proeven met vallende voorwerpen, Huygens observeerde Saturnus, Newton deed waarnemingen met een zelfgebouwde spiegeltelescoop. Toen was het nog mogelijk, voor een zeer getalenteerde natuurkundige, om zich alle beschikbare natuurkundige kennis eigen te maken en daarnaast tijd te besteden aan experimenten. De gespecialiseerde theoretisch fysicus is van recenter datum. In de tweede helft van de negentiende eeuw was de kennis zo gegroeid dat een enkel persoon onmogelijk meer het hele terrein van de natuurkunde gedetailleerd kon overzien en natuurkundigen zich toelegden op ofwel theorie ofwel experiment. In de twintigste eeuw is men ook nog gespecialiseerd op vakgebied: tegenwoordig zijn theoretisch fysici gespecialiseerd in bijvoorbeeld statistische mechanica, kernfysica of deeltjesfysica.
Van de talrijke beoefenaars van de theoretische natuurkunde uit de geschiedenis zijn de "grote drie" Isaac Newton (1642-1727), James Clerk Maxwell (1831-1879) en Albert Einstein (1879-1955).
