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 onder meer theorieën met behulp van experimenten of proeven bevestigt of weerlegt, en de technische natuurkunde, die de bekende natuurkundige wetten toepast in apparaten, zoals machines, vliegtuigen, energiecentrales enzovoorts.
Er zijn grofweg twee soorten theorieën in de natuurkunde.
Deze blijft dicht bij de gemeten verschijnselen en probeert een gevonden patroon samen te vatten in een regel of wet. Een voorbeeld is de wet van Hooke voor 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).
Deze 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 liefst grote klasse van verschijnselen, geldt de theorie als bevredigend. Een voorbeeld is de algemene relativiteitstheorie. Deze gaat uit van een paar postulaten (basisprincipes) en leidt daar een heel wereldbeeld uit af, dat later een aantal experimentele toetsingen doorstond.
Naast theorievorming houdt de theoretische natuurkunde zich ook bezig met het uitwerken van bestaande theorieën. Bijvoorbeeld, is op basis van de al lang getoetste en geaccepteerde wetten voor het gedrag van elektronen in diverse materialen, het gedrag van elektronen in een bepaald metaal te berekenen. Deze afgeleide wetmatigheden bevatten geen nieuwe basisprincipes, maar zijn nuttig om de theorie te toetsen en toe te passen.
Een wetenschappelijke theorie moet in principe geverifiëerd kunnen worden, of volgens het falsificationisme van Karl Popper, pogingen tot experimentele falsificatie] kunnen doorstaan, zodat die althans voorlopig voor waar kan worden aangenomen. Hiertoe moet van een theorie geëist worden dat er toetsbare voorspellingen van de uitkomsten van experimenten uit afgeleid kunnen worden. Er moeten dus beslissende experimenten denkbaar zijn waarvan een uitkomst kan betekenen dat de theorie verworpen wordt.
Daarom is de ergste kritiek die een theorie kan treffen het verwijt nicht einmal falsch (zelfs niet fout, een uitspraak van de Oostenrijkse theoreticus Wolfgang Pauli). Een verkeerde theorie kan door het uitlokken van een weerlegging de wetenschap verder helpen, maar een ontoetsbare theorie is uiteindelijk niet zinvol. Tegen de snaartheorie, die wel nieuwe verbanden legt, wordt daarom vaak als bezwaar ingebracht dat toetsexperimenten misschien niet haalbaar zijn. Overigens is de allereerste toets natuurlijk dat de theorie geen bekende verschijnselen mag tegenspreken.
Het begrip toetsbaarheid is overigens omstreden binnen de wetenschapsfilosofie. Denkers als Thomas Kuhn, Imre Lakatos en Paul Feyerabend hebben allerlei bezwaren en complicaties bedacht tegen Poppers standaardtheorie. Overigens paste de natuurkunde al vóór Popper de falsificatie standaard toe - denk bijvoorbeeld aan de afbuiging van sterlicht bij de zon als toets van de algemene relativiteitstheorie.
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 toetsen. 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. Bovendien werd een experiment als onnatuurlijk gezien. 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 toetsten. Galilei deed mogelijk nog zelf proeven met vallende voorwerpen, Huygens maakte onder meer telescopen en observeerde Saturnus, Newton deed proeven met lichtbreking en 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 zodat de meeste natuurkundigen zich toelegden op ofwel theorie ofwel experiment. Hendrik Lorentz werd de eerste hoogleraar theoretische natuurkunde. In de twintigste eeuw is de theoreticus meestal ook nog gespecialiseerd in een vakgebied: bijvoorbeeld in de statistische mechanica, kernfysica of deeltjesfysica. Toch komt het voor, dat een onderzoeker in een vakgebied zowel experiment als theorie beheerst.
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).
