Klasiskā fizika: definīcija, pamatprincipi un ierobežojumi
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.
Vēsture
Sers Īzaks Ņūtons un daudzi zinātnieki pirms viņa palīdzēja radīt klasisko fiziku. Viņi novēroja, ka dažas lietas dabā, piemēram, ābolu krišana, katru reizi notiek vienādi. Ņūtons sastādīja vienādojumus, kas ļāva paredzēt šādus notikumus. Šos vienādojumus viņš nosauca par fizikas likumiem.
Ņūtona fizikas likumi ir pārbaudīti eksperimentos un izmantojot tos darbos. Dažreiz kaut kas (piemēram, spēcīgs vējš) nedaudz sagroza eksperimenta rezultātus, un rezultāti iznāk nedaudz nepareizi. Taču, kad cilvēki cenšas atbrīvoties no šiem papildu faktoriem, eksperimentu rezultāti gandrīz vienmēr pietuvojas Ņūtona likumiem paredzētajiem.
Klasiskās fizikas jomas
- Mehānika (kā sviras palīdz pacelt priekšmetus, kā automašīnas turpina kustību pēc dzinēja izslēgšanas utt.)
- termodinamika (kāpēc dažas lietas mums šķiet karstas, bet citas - aukstas, kāpēc ūdens uzsildīšanai nepieciešams ilgāks laiks nekā gaisa uzsildīšanai utt. )
- Elektrība (kāpēc viena priekšmeta berzēšana ar otru var radīt statisko lādiņu, kāpēc elektroni pārvietojas pa vadiem, kāpēc zibens var sasniegt milzīgus attālumus utt.).
- Magnētisms (kāpēc kompasa adatas rāda uz ziemeļu un dienvidu poliem, kāpēc naglas, kas apvītas apkārt un apkārt ar izolētu stiepli, darbojas kā magnēti, kad caur vadu plūst līdzstrāva, utt.).
- Optika (kāpēc saules gaisma, kas iet cauri lietus pilieniem, var radīt varavīksni, kāpēc prizmas izliek gaismu un veido tādu spektru kā varavīksne, kāpēc lēcas var palielināt lietas, kā izgatavot jaudīgus teleskopus ar vai bez lēcām utt.).)
