Класическа физика: понятие, основни закони и ограничения

Класическа физика: понятие, основни закони и ограничения — ясно обяснение на движение, гравитация и електричество и кога квантовата механика и относителността взимат превес.

Класическата физика е физиката, развила се преди XX век и оставаща основата на голяма част от техниката и инженерните дисциплини. Тя описва явления на макроскопично ниво и включва изучаването на движение, сили, енергия, топлина, светлина и електричество — например понятия като движение, светлина, гравитация и електричество. Класическата физика дава прости и интуитивни модели, които са достатъчни за повечето ежедневни и инженерни приложения.

Защо класическата физика беше заменена на някои места

През XX век физиците откриха, че за описанието на някои явления са нужни нови идеи, по-различни от класическите. Появиха се две фундаментални теории: теорията на относителността и квантовата механика. Оказа се, че класическите модели не са достатъчни, когато изследваните обекти са много малки (с размер на атомите или по-малки) или когато се движат със скорости, близки до скоростта на светлината. В отговор на тези проблеми Алберт Айнщайн разработва своята Теория на относителността, а учени като Нилс Бор, Вернер Хайзенберг и Ервин Шрьодингер допринасят за създаването и оформянето на квантовата механика.

Основни закони и принципи на класическата физика

• Нютонови закони на движението — трите основни закона на Исаак Нютон описват връзката между сили, маса и ускорение и са в основата на механиката за макроскопични тела.
• Закон на универсалната гравитация — формулиран от Нютон, той дава приближено описание на гравитационното привличане между маси при невисоки гравитационни полета.
• Закони за запазване — закони за запазване на енергията, импулса и въртящия момент са основен инструмент за решаване на физични задачи.
• Термодинамика — пет основни понятия (температура, топлина, вътрешна енергия, ентропия и работа) и закони като първия и втория закон на термодинамиката описват поведение на топлинните процеси и топлинните двигатели.
• Електромагнетизъм — уравненията на Максуел обединяват електричните и магнитните явления и обясняват светлината като електромагнитна вълна; за практична работа на нивото на класическата физика често се използват приближени модели (вериги, полета при слабите полета и т.н.).
• Оптика — законите на геометричната и вълновата оптика описват огледала, лещи, пречупване, интерференция и дифракция в условия, когато квантовите ефекти са пренебрежимо малки.

Примери и приложения

Класическата физика успешно описва и предсказва поведение при ежедневни явления: балистика и движение на проектили, движение на планети (в повечето практични случаи), механика на машини, проектиране на конструкции, електрически вериги и голяма част от оптичните системи. Тя е основата на инженерните науки и технологиите, използвани във външния свят.

Ограничения и случаи, в които не работи

• Много малки мащаби — при размери, сравними с тези на атомите, класическите представи за траектория и определени стойности на енергия се провалят; тук е необходима квантовата механика.
• Високи скорости — когато скоростите се доближават до скоростта на светлината, необходима е теорията на относителността (или нейният формализъм, развит от Алберт Айнщайн), защото класическите закони на Нютон дават грешни резултати.
• Силни гравитационни полета — при много големи маси и извънредно силни полета (например близо до черни дупки) класическата гравитация трябва да бъде заменена от общата теория на относителността.
• Дискретни и квантови феномени — явления като тунелиране, спин, дискретни енергийни нива и корелации в квантовите системи не се обясняват класически.
• Микроскопична детерминираност vs. квантова несигурност — класическите теории са детерминистични (познати начални условия водят до точни предсказания), докато в квантовата механика има фундаментална вероятност и принцип на неопределеност на Хайзенберг.
• Хаос и чувствителност към начални условия — въпреки детерминистичната си природа, класическата механика може да доведе до поведение, което е практически непредвидимо при малки грешки в началните данни.

Как класическата и модерните теории съжителстват

Класическата физика остава ценен и широко използван инструмент. В много ситуации модерните теории редуцират до класическите в съответния предел (например квантовите резултати при големи числа частиците и ниски честоти дават класическия резултат; равенствата от теорията на относителността дават ньутоновите уравнения при ниски скорости). По този начин класическата физика е част от по-широкото научно знание и продължава да бъде полезна за практиката и образованието.

Кратко обобщение: Класическата физика е мощна и интуитивна теория за макроскопичния свят и инженерните приложения, но има конкретни граници — миниатюрни размери, високи скорости и силни гравитационни полета — където се налагат по-модерни теории като теорията на относителността и квантовата механика.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява класическата физика?

В: Как се променя класическата физика през 20. век?

Въпрос: Кой е работил по разработването на нови теории през ХХ век?

Въпрос: Кога класическата физика не работи?

В: Кои са някои примери за теми, изучавани от класическата физика?

В: Кои две теории замениха класическата физика през двадесети век?

Търсене по буква