A Física é um vasto conjunto de conhecimentos em permanente construção e transformação.
Com base em princípios e leis, construimos modelos que, validados por experimentos e simulações computacionais, permitem compreender e lidar com os fenômenos naturais e com a tecnologia em todas as escalas, do infinitesimalmente pequeno no interior dos átomos, ao infinitamente grande na imensidão do Universo.
Esses conhecimentos são estruturados em teorias como a Mecânica Clássica, a Teoria Eletromagnética, a Teoria da Relatividade Geral, a Mecânica Quântica, a Termodinâmica, entre muitas outras.
Numa ciência da Natureza como a Física, fazemos distinção entre princípio e lei. Princípio é uma proposição tomada como verdadeira desde o início. Na Física, um princípio tem o mesmo papel que um postulado na Matemática e não pode ser verificado de modo direto pela experimentação, mas apenas indiretamente, pela concordância de suas conseqüências com os fatos observados. Por outro lado, lei é uma proposição que enuncia uma relação entre os valores das grandezas que aparecem na descrição de um fenômeno e pode ser verificada experimentalmente de modo direto.
De um modo simples podemos dizer que uma teoria física é constituída por três elementos fundamentais.
Em primeiro lugar, uma estrutura formal, que inclui as expressões matemáticas das leis e dos princípios que configuram a teoria. Nessas expressões, os conceitos físicos são representados por entes matemáticos. Por exemplo, o conceito físico de força é representado pelo ente matemático que chamamos de vetor. No verdade, há um sem número de grandezas diferentes representadas pelo mesmo ente matemático, de modo que a representação matemática não esgota o conceito, nem mesmo quando se refere ao mesmo tipo de grandeza. Por exemplo, podemos ter duas forças diferentes representadas pelo mesmo vetor.
Por isso precisamos de um segundo elemento na teoria: um conjunto de regras para a interpretação do formalismo matemático e para relacioná-lo ao mundo dos fenômenos, através de uma linguagem que englobe definições, argumentos, representações gráficas e geométricas. Por exemplo, duas forças representadas pelo mesmo vetor podem ser interpretadas como diferindo pela natureza da interação: uma pode ser de natureza gravitacional e a outra, de natureza eletromagnética. Ou então, se escrevemos F = ma, precisamos de regras que interpretem F como a força total que atua no corpo em estudo, m como sua massa e a como a aceleração que resulta da ação da força. Precisamos de uma regra que interprete o negrito ou mais usualmente uma flechinha sobre a letra como representando o caráter vetorial da grandeza associada. E precisamos ter definido anteriormente os conceitos de força, massa e aceleração e tê-los associados a elementos concretos da observação.
Um terceiro elemento da teoria é o seu campo de aplicabilidade, isto é, o conjunto de conhecimentos aos quais ela se aplica, reconhecendo os limites de validade de seus princípios, de suas leis e de seu formalismo, inclusive na interpretação dos conceitos e de suas relações com o mundo dos fenômenos. O campo de aplicabilidade da Mecânica Clássica, por exemplo, está restrito aos fenômenos em que as dimensões características dos sistemas considerados não sejam microscópicas e em que as velocidades dos corpos que participam dos fenômenos não estejam muito próximas da velocidade da luz.
Em poucas palavras, um dos objetivos imediatos de quem faz ciência é a enunciação de leis que sintetizem os dados e as informações obtidas sobre os fenômenos e sua apresentação em linguagem matemática. Contudo, para o entendimento e a explicação dos fenômenos dentro de certo campo de conhecimentos temos a necessidade de compreender as relações que existem entre as várias leis, suas implicações e seu alcance. Pela construção de uma teoria, respondemos a essa necessidade estabelecendo um sistema lógico com base em um número mínimo de pressupostos que, em suas consequências, inclua a compreensão das leis enunciadas. Além disso, uma teoria deve ter caráter preditivo, isto é, devemos ser capazes de prever resultados inéditos, que serão postos à prova para que a teoria continue sendo aceita ou seja refutada de alguma maneira, em parte ou no todo.