Klasiskā fizika: definīcija, pamatprincipi un ierobežojumi

Klasiskā fizika: skaidra definīcija, pamatprincipi un ierobežojumi — kad tā darbojas un kad jāpāriet uz relativitāti vai kvantu mehāniku. Uzzini būtiskāko.

Klasiskā fizika ir fizika, kas tika izstrādāta un dominēja līdz 20. gadsimtam. Tā pēta parādības un likumus, kas raksturo ikdienas mēroga objektu uzvedību: kustību, gaismu, gravitāciju un elektrību. Klasiskās fizikas rāmjos aprēķini parasti izmanto diferenciālvienādojumus un nepārtrauktas vielas pieņēmumu (kontinua), kas labi darbojas, ja sistēmas garumi ir daudz lielāki par atomu izmēru un ātrumi — daudz mazāki par gaismas ātrumu.

Mūsdienu fizikas attīstībā 20. gadsimta sākumā radās jaunas, plašākas teorijas, jo klasiskās pieejas neatbilda visiem novērojumiem. Tāpēc fiziķi izstrādāja divus fundamentālus dabas aprakstīšanas veidus: relativitātes teoriju un kvantu mehāniku. Izrādījās, ka klasiskie modeļi kļūst nepiemēroti, ja pētāmās lietas ir ļoti, ļoti mazas (aptuveni atomu lieluma vai mazākas) vai arī pārvietojas ļoti, ļoti ātri (tuvojoties gaismas ātrumam). Tāpēc tādi pētnieki kā Alberts Einšteins izstrādāja relativitātes teoriju, bet Nīls Bors, Verners Heizenbergs un Ervins Šrēdingers attīstīja kvantu mehāniku.

Pamatprincipi un svarīgākie likumi

• Ņūtona mehānika: kustību apraksta trīs Ņūtona likumi (inerce, spēku un paātrinājuma saistība, spēku darbības un pretspēka princips). Tie nodrošina precīzus rezultātus ikdienas objektu kustībām, projektiliem, mehāniskām ierīcēm.
• Elektromagnētisms: Maksvela vienādojumi apraksta elektriskos un magnētiskos laukus, gaismas viļņu dabu un elektromagnētiskos viļņus; pilsētvides elektroinstalācijas un radiotehnika balstās uz klasisko elektromagnētismu.
• Termodinamika un klasiskā statistiskā mehānika: Apraksta siltumu, temperatūru un siltuma plūsmu, ietverot enerģijas saglabāšanas likumu, entropijas jēdzienu un termiskās līdzsvara stāvokļus.
• Viļņu un optikas likumi: gaismas lauzums, atstarošanās, interferenci un difrakciju var izskaidrot ar viļņu teoriju (kuru klasiskā optika attīsta līdz lieli daudziem praktiskiem pielietojumiem).
• Saglabāšanas likumi: enerģijas, impulsa un leņķa impulsa saglabāšanās ir centrālas pētot mehāniskas sistēmas.
• Galileja relātivitāte: klasiskā (Galileja) relātivitāte nosaka, ka Kants likumi parasti ir vienādi visos inerciālajos atskaites sistemas, ja ātrumi nav tuvu gaismas ātrumam.

Kad klasiskā fizika darbojas vislabāk

Klasiskā fizika dod teicamus rezultātus daudzos kontekstos:

• ikdienas mehānikas un inženierzinātņu uzdevumos (tiltu, mašīnu, būvju projektēšana),
• hidrodinamikā un aerodinamikā (plūsmas aprēķini, lidojumu modelēšana),
• elektroniskajās ķēdēs un elektromehāniskajās ierīcēs,
• planetārajā mehānikā (parasti — izņemot ļoti precīzus relativistiskus efektus),
• akustikā un optikā, kur viļņu apraksti sniedz skaidru priekšstatu par fenomeniem.

Ierobežojumi un pāreja uz modernajām teorijām

Klasiskā fizika nav universāla. Tās aproksimācijas izjūk un precizitāte samazinās vairākos gadījumos:

• atomu un subatomu mēroga parādībās — nepieciešama kvantu mehānika (piemēram, atomu spektri, kimijas saistības, mikroelektronika),
• situācijās, kur objektu ātrums ir tuvs gaismas ātrumam vai kur pastāv spēcīgi gravitācijas lauki — nepieciešama relativitātes teorija (speciālā vai vispārīgā relativitāte),
• klausos, kur klasiskie modeļi rada neatrisināmas novirzes — piemēram, melnās ķermeņa starojuma problēma (klassiskais Raiheman–Jeans likums) un fotoelektriskais efekts, kas tika izskaidrots ar kvantu idejām.

Saziņa ar kvantu un relativistisko teoriju — korepondences princips

Viena no svarīgām idejām fizikas attīstībā ir, ka jaunākās teorijas nedrīkst pilnībā liegt vecākajai praktisku lietojumu; daudzos robežgadījumos kvantu un relativistiskās teorijas dod tos pašus rezultātus kā klasiskā fizika. To sauc par korepondences principu: kvantu mehānika un relativitāte reducēsies uz klasiskām formulām, kad tiks ņemta klasiska robeža (lieli mērogi, mazi impulsi, zemi ātrumi).

Secinājums — kāpēc klasiskā fizika joprojām ir svarīga

Pat ja relativitāte un kvantu mehānika sniedz dziļāku izpratni par dabu, klasiskā fizika paliek neaizvietojama gan izglītībā, gan praksē. Tā ir vienkāršā, intuitīvā bāze, uz kuras būvē sarežģītākas teorijas, un tā nodrošina efektīvus rīkus inženieriem, tehnoloģijām un ikdienas problēmu risināšanai.

Meklēt pēc burta