Mis on klassikaline füüsika: põhimõtted, ajalugu ja piirangud
Avastage klassikalise füüsika põhimõtted, ajalugu ja piirangud — kuidas relatiivsusteooria ja kvantmehaanika selle asendasid ning millal klassikalised mudelid ebaõnnestuvad.
Klassikaline füüsika on füüsika, mis tehti enne 20. sajandit. See osa füüsikast uurib selliseid nähtusi nagu liikumine, valgus, gravitatsioon ja elekter. Klassikaline füüsika pakub lihtsaid ja praktilisi seaduspärasusi, mis kirjeldavad paljusid igapäevaseid ja tehnikas kasutatavaid protsesse — näiteks seda, kuidas esemed langevad, kuidas masinad töötavad või kuidas lained levivad.
Põhimõtted ja omadused
Klassikalise füüsika aluseks on mõned olulised põhimõtted:
- Newtoni mehaanika: objektide liikumist kirjeldavad Newtoni seadused (inertsiseadus, jõu ja kiirenduse seos, tegevuse ja vastutegevuse seadus).
- Konservatsiooni seadused: energia, impuls ja pöördemoment on suletud süsteemis püsivad suurused.
- Väljad ja makswelli elektromagnetism: elektri- ja magnetväljade käitumist kirjeldavad Maxwelli võrrandid ning valguse lainelise olemuse kirjeldus.
- Kontinuumne lähenemine: aine käsitletakse pideva ainevõrgustikuna (nt vedelikud, gaasid, elastsed materjalid), kus mikroskoopilised üksikasjad jäetakse välja.
- Deterministlik maailmapilt: antud algtingimuste korral saab süsteemi käitumise põhimõtteliselt täpselt ette arvutada.
Peamised valdkonnad ja näited
- Mehaanika — liikumise seadused, pendelid, löögid, orbitid.
- Termodünaamika ja statistiline füüsika — soojus, temperatuur, faasimuutused ja energiaülekanded.
- Elektromagnetism — elektri- ja magnetväli, elektromagnetlaine, elektriahelad.
- Optika — valguse peegeldumine, murdumine, interferents ja difraktsioon (laineline lähenemine).
- Elastsus ja vedelike mehaanika — pinged materjalides, voolamine, turbulents (kui ka väga keerulised klassikalised mudelid).
Ajalugu ja areng
Klassikaline füüsika kujunes välja mitme sajandi vältel. Olulised verstapostid on näiteks Galileo vaatlustööd, Isaac Newtoni töö liikumise ja gravitatsiooni seaduste kirjeldamisel ning James Clerk Maxwelli elektromagnetväljateooria. Need ideed lõid aluse inseneriteadustele, navigatsioonile ja paljudele praktilistele rakendustele.
20. sajandi alguses selgus aga, et klassikaline füüsika ei suuda kirjeldada kõiki looduse aspekte. Näiteks ei kehti klassikalised seadused korrektselt, kui uuritavad süsteemid on väga-väga väikesed (umbes aatomi suurused või väiksemad) või kui osakesed liiguvad väga-väga kiiresti (lähedal valguse kiirusele). Selle tulemusena töötasid teadlased välja uued teooriad: umbes kahekümnenda sajandi alguses tutvustas Albert Einstein oma relatiivsusteooria, ning sellised teadlased nagu Neils Bohr, Werner Heisenberg ja Erwin Schrödinger aitasid luua kvantmehaanika, mis kirjeldab mikromaailma käitumist.
Piirangud ja miks klassikaline füüsika ei kehti alati
Klassikalise füüsika piirangud ilmnevad mitmel moel:
- Atomite ja osakeste skaala: klassikaline taustal baseeruv ettekujutus pidevast ainevõrgust ebaõnnestub, kui kvantefektid muutuvad märgatavaks (nt aatomite energiatasemed, elektronide difraktsioon).
- Suured kiirused ja tugev gravitatsioon: Newtoni gravitatsiooniseadus ja klassikaline kineetika ei arvesta relativistlikke efekte, mis muutuvad olulisteks lähedal valguse kiirusele või tugevate gravitatsiooniväljade korral (nt täppse selgituseni Merkuri periheelipreetesse aitas jõuda relatiivsusteooria).
- Mitmed eksperimentaalsed pussid: teatud nähtused (näiteks mustkeha kiirguse spekter, fotoelektriline efekt, aatomispektrid või Michelson–Morley eksperiment) näitasid, et klassikalised mudelid annavad vastuolulisi või valesid ennustusi.
- Determinismi kadumine kvantmehaanikas: kvantteooria kirjeldab mitmeid protsesse probabilistlikult, mis on fundamentaalselt erinev klassikalisest deterministlikust maailmakirjeldusest.
Siirdeprintsiibid ja kooskõla
Kuigi klassikaline füüsika on piiratud, ei tähenda see, et see oleks vale — pigem on see lähend teatud tingimustel. On olemas nii-öelda vastavuse printsiip: kvantmehaanika ja relatiivsusteooria peavad andma klassikalised tulemused suurte skalade või madalate kiiruste piirides. Näiteks kui arvestada väga suuri süsteeme või suurt arvukust osakeste puhul, annavad statistiline mehaanika ja klassikaline termodünaamika täpseid hinnanguid.
Kasutus tänapäeval
Klassikaline füüsika on endiselt äärmiselt oluline praktilistes rakendustes. Paljud inseneriprobleemid, ehitus, sõidukite disain, kosmoseajamine (ligikaudsed orbiidid), akustika, optika ja hulk teisi valdkondi tuginevad klassikalistele seadustele ja mude-litele, kuna need on lihtsamad ja piisavalt täpsed igapäevastes tingimustes. Samal ajal kasutatakse uusi teooriaid (relatiivsusteooria ja kvantmehaanika) kohtades, kus nende ennustused erinevad oluliselt klassikalistest prognoosidest.
Kokkuvõte
Klassikaline füüsika on sügav ja praktiline filiaal, mis kirjeldab palju looduse nähtusi lihtsate ja intuitiivsete seadustega. See on aluseks paljudele tehnoloogiatele ja inseneri-arvutustele. Kuid selle piiratus tuli ilmsiks 20. sajandil ning selle piirides väljaspool tuleb kasutada relatiivsusteooriat ja kvantmehaanikat. Klassikalised ja uued teooriad täiendavad üksteist: klassikaline füüsika annab sageli kasuliku lähendi, samas kui modernsed teooriad annavad täpsema pildi ekstreemsetes olukordades.
Ajalugu
Sir Isaac Newton ja paljud teadlased enne teda aitasid luua klassikalist füüsikat. Nad täheldasid, et mõned asjad looduses, näiteks õuna kukkumine, toimuvad iga kord ühtemoodi. Newton koostas võrrandid, mis võimaldasid selliseid sündmusi ennustada. Ta nimetas neid võrrandeid füüsikaseadusteks.
Newtoni füüsikaseadusi on katsetatud katsetega ja nende kasutamisega tööde tegemisel. Mõnikord ajavad asjad (näiteks võimsad tuuled) eksperimendi tulemusi veidi segi ja tulemused tulevad veidi valesti välja. Aga kui inimesed teevad jõupingutusi, et neist lisateguritest vabaneda, jõuavad katsete tulemused peaaegu alati lähemale sellele, mida Newtoni seadused ennustavad.
Klassikalise füüsika valdkonnad
- Mehaanika (kuidas hoovad aitavad asju tõsta, autod liiguvad ka pärast mootori väljalülitamist jne).
- Termodünaamika (miks me tunneme ühtesid asju kuumana ja teisi asju külmana, miks vee soojendamine võtab kauem aega kui õhu soojendamine jne. )
- Elekter (miks ühe eseme hõõrumine teise esemega võib tekitada staatilise laengu, miks elektronid liiguvad läbi juhtmete, miks välk võib läbida tohutuid vahemaid jne).
- Magnetism (miks kompassinõelad näitavad põhja- ja lõunapooluse suunas, miks isoleeritud traadiga ümberringi mähitud naelad toimivad magnetina, kui läbi traadi juhitakse alalisvoolu jne).
- Optika (miks päikesevalgus, mis läbib vihmapiisad, võib tekitada vikerkaare, miks prismad painutavad valgust ja tekitavad vikerkaarele sarnase spektri, miks läätsed võivad asju suurendada, kuidas teha võimsaid teleskoope läätsedega või ilma jne.)
Küsimused ja vastused
K: Mis on klassikaline füüsika?
V: Klassikaline füüsika on füüsika haru, mis töötati välja enne 20. sajandit. See uurib selliseid asju nagu liikumine, valgus, gravitatsioon ja elekter.
K: Kuidas muutus klassikaline füüsika 20. sajandil?
V: 20. sajandil avastasid füüsikud kaks paremat viisi looduse kirjeldamiseks - relatiivsusteooria ja kvantmehaanika -, mis muutsid klassikalise füüsika vähem kasulikuks väga väikeste või kiiresti liikuvate objektide uurimisel.
K: Kes töötasid 20. sajandil uute teooriate väljatöötamise kallal?
V: Albert Einstein töötas välja oma relatiivsusteooria ja sellised inimesed nagu Neils Bohr, Werner Heisenberg ja Erwin Schrِdinger lõid kvantmehaanika.
K: Millal klassikaline füüsika ei toimi?
V: Klassikaline füüsika ei toimi, kui uuritakse väga väikeseid objekte (umbes aatomi suurused või väiksemad) või kui uuritakse väga kiiresti (umbes valguskiirusega) liikuvaid objekte.
K: Millised on näited teemadest, mida klassikaline füüsika uurib?
V: Klassikalise füüsika uuritud teemade hulka kuuluvad näiteks liikumine, valgus, gravitatsioon ja elekter.
K: Millised kaks teooriat asendasid klassikalise füüsika kahekümnendal sajandil?
V: Kaks teooriat, mis asendasid klassikalise füüsika kahekümnendal sajandil, olid relatiivsusteooria ja kvantmehaanika.
Otsige