Классическая физика
Класси́ческая фи́зика — физика до появления квантовой теории и теории относительности. Основы классической физики были заложены в Эпоху Возрождения рядом учёных, из которых особенно выделяют Ньютона — создателя классической механики.
Классическая физика основана на следующих принципах:
- причины однозначно определяют следствия (детерминизм);
- пространство и время являются абсолютными — это означает, что они никак не зависят от материи, заполняющей пространство и от её движения, при этом результаты измерения пространственных и временны́х отрезков не зависят от выбранной системы отсчёта, в частности, от скорости движения измеряемого объекта относительно наблюдателя;
- изменения любых величин, характеризующих физическую систему, являются непрерывными — это значит, что при переходе от одного фиксированного состояния к другому физическая система проходит через бесконечное множество переходных состояний, в которых все физические параметры системы принимают промежуточные значения между значениями в начальном и конечном состояниях.
Фундаментальными теориями классической физики являются
- Классическая механика
- Термодинамика и статистическая физика
- Классическая электродинамика
От Галилея и Ньютона до Максвелла и Больцмана в рамках классической физики была создана картина строения физического мира, казавшаяся во второй половине XIX века безупречно точной и исчерпывающе полной.
Кризис классической физики на рубеже XIX—XX веков
К началу XX столетия накопился ряд вопросов, на которые в рамках классической физики не удавалось найти ответы.
- Спектры электромагнитного излучения. Классическая теория (см. Закон Рэлея — Джинса) не давала удовлетворительного описания спектров излучения абсолютно чёрного тела (см. Ультрафиолетовая катастрофа), и существенно расходилась с экспериментально наблюдаемыми. излучения и поглощения света газообразными веществами также не находили объяснения в рамках классической физики.
- Источник энергии Солнца и звёзд. Гипотезы происхождения энергии звёзд, которые могла предложить классическая физика давали ничтожные значения этой энергии, явно не отвечающие действительности.
- Явление радиоактивности, обнаруженное в 1896 г. А. Беккерелем, и изученное в конце XIX в. Марией и Пьером Кюри, свидетельствовало о том, что в атомах вещества заключается огромная (по сравнению с их размерами и массой) энергия, происхождение которой в рамках классической физики было необъяснимо.
- Красная граница внешнего фотоэффекта — максимальная (для данного материала катода) длина волны электромагнитного излучения, выше которой фотоэффект не наблюдается при любой интенсивности облучения, также не находила объяснения в классической физике.
- Экспериментальные наблюдения электрона — частицы, обнаруженной в конце XIX в., показали, что отношение его заряда к массе не постоянно, а зависит от скорости его движения, что противоречило теоретическим положениям классической физики.
- К концу XIX века всё больше сомнений вызывала концепция абсолютного пространства, которое (в соответствии с самой этой концепцией) является ненаблюдаемым. Возникало противоречие: для физики (по определению) не существует вещей, не обнаруживаемых ни в каких экспериментах, а между тем, во всех теоретических построениях классической физики явно или неявно предполагается существование абсолютного пространства. Некоторое время сохранялась надежда разрешить это противоречие путём обнаружения эфира — гипотетической материальной среды, заполняющей абсолютное пространство, и в которой (как предполагалось) распространяются электромагнитные волны, но опыт Майкельсона, поставленный в 1887 году именно с этой целью, существование эфира не обнаружил.
Несоответствие этих и других наблюдаемых явлений классическим теориям порождало сомнение во всеобщности тех фундаментальных принципов, на которых построены эти теории, в том числе законов сохранения массы, энергии и импульса. Эту ситуацию знаменитый французский математик и физик Анри Пуанкаре назвал «кризисом физики».
Что же остаётся нетронутым среди всех этих руин?… Какую же позицию должна занять математическая физика при наличии этого всеобщего разгрома принципов?
Становление «новой физики»
Квантовая теория
В 1900 г. немецкий физик Макс Планк предлагает , согласно которой свет излучается не непрерывно (как это предполагается классической теорией), а дискретно — порциями, которые Планк назвал квантами. Несмотря на парадоксальность этой теории (в которой излучение света рассматривается, как непрерывный волновой процесс, и, в то же время, как поток частиц — квантов), она хорошо описывала форму непрерывного спектра теплового излучения твёрдых и жидких тел.
В 1905 г. Альберт Эйнштейн, исходя из предположения квантовой природы света, даёт математическое описание явления фотоэффекта, при этом становится объяснимой природа красной границы фотоэффекта. (Именно за эту работу, а не за Теорию относительности, Эйнштейну в 1921 г. присуждается Нобелевская премия.)
В 1926 г. Нильс Бор предлагает Квантовую теорию атома, согласно которой электроны, составляющие электронную оболочку атома, могут находиться только в счётном множестве дискретных состояний (орбит) с фиксированными параметрами (квантовыми числами), а переходы электрона с орбиты на орбиту происходят при поглощении или излучении квантов света не непрерывно, а скачкообразно, без промежуточных состояний (см. Постулаты Бора). Таким образом, квантовый принцип, помимо света, распространялся и на движение электрона. Эта теория хорошо объясняла излучения и поглощения электромагнитных волн газами, а кроме того, позволяла понять физическую природу химического соединения, свойств химических элементов, и Периодического закона Менделеева.
В дальнейшем квантовая механика становится главным инструментом теоретической физики при описании процессов микромира. В ходе развития квантовой механики произошёл отказ от жёсткого детерминизма классической физики, и принят принцип неопределённости Гейзенберга (см.).
Благодаря квантовым представлениям удалось найти адекватные описания явлений, происходящих в ядрах атомов и в недрах звёзд, радиоактивности, физики элементарных частиц, физики твёрдого тела, физики низких температур (сверхпроводимости и сверхтекучести). Эти представления послужили теоретической базой для создания множества практических приложений физики: атомной энергетики, полупроводниковой техники, лазеров и др.
Теория относительности
В 1905 г. Альберт Эйнштейн предложил Специальную теорию относительности, в которой отвергается концепция абсолютности пространства и времени, и декларируется их относительность: величины пространственных и временных отрезков, относящихся к некоторому физическому объекту, зависят от скорости движения объекта относительно выбранной системы отсчёта (системы координат). В разных системах координат эти величины могли принимать разные значения. В частности, одновременность независимых физических событий также была относительной: события происходившие одновременно в одной системе координат, в другой могли происходить в разные моменты времени. Эта теория позволяла построить логически непротиворечивую кинематическую картину мира без использования понятий ненаблюдаемых абсолютного пространства, абсолютного времени и эфира.
Некоторое время теория оставалась гипотезой, не имеющей экспериментальных подтверждений, а в 1916 г. Эйнштейн публикует Общую теорию относительности — механику, построенную на принципах относительности, декларированных в специальной теории. Вскоре эта теория нашла подтверждение — объяснение аномальной прецессии перигелия Меркурия, которую классическая астрономия безуспешно пыталась объяснить наличием в Солнечной системе ещё одной планеты, более близкой к Солнцу, чем Меркурий, и которую так и не удалось обнаружить. На сегодня имеется уже большое количество экспериментальных доказательств справедливости теории относительности. В частности, и объяснение обнаруженной ещё в XIX в. зависимости массы электрона от его скорости: согласно теории относительности наблюдаемая масса любого физического тела тем больше, чем больше скорость его движения относительно наблюдателя, а электроны, наблюдаемые в экспериментах, имеют обычно достаточно большую скорость, чтобы проявление релятивистских эффектов было заметно.
Классическая физика сегодня
Несмотря на то, что в рамках классической физики многие явления не нашли адекватного описания, она и сегодня является существенной частью «золотого фонда» знаний человечества, и наиболее востребована в большинстве приложений физики и инженерных дисциплин. Она входит обязательной составной частью в курсы общей физики, преподающиеся во всех естественнонаучных и инженерных учебных заведениях мира.
Объясняется это тем, что преимущества «новой физики» сказываются только в специальных случаях.
- Квантовые эффекты существенно проявляются в микромире — на расстояниях сравнимых с размерами атома, при много бо́льших расстояниях квантовые уравнения сводятся к классическим.
- Неопределённость Гейзенберга, существенная на уровне микромира, на уровне макромира исчезающе мала по сравнению с погрешностями практических измерений физических величин и результатов вычислений, основанных на этих измерениях.
- Релятивистская физика точнее описывает объекты гигантской массы (сравнимой с массой галактик), и движение тел со скоростями, близкими к скорости света. При малых скоростях и малых массах описываемых объектов уравнения теории относительности сводятся к уравнениям классической механики.
В то же время, математический аппарат классической физики проще и понятней с позиций повседневного опыта, и в большинстве случаев точность результатов, полученных методами классической физики, вполне удовлетворяет потребностям практики.
Таким образом, «новая физика» не только не привела к полному отрицанию методов и достижений классической физики, но спасла её от «всеобщего разгрома», о котором писал А. Пуанкаре в 1905 г., ценой отказа от таких классических принципов, как детерминизм, непрерывность изменений физических величин, и абсолютность пространства и времени.
Примечания
- Анри Пуанкаре. О Науке. Часть 2. Ценность науки. Гл. VIII,IX. Перевод с французского под ред. Л. С. Понтрягина. М. «Наука». 1990 г. (формат djvu). Дата обращения: 27 марта 2009. Архивировано 15 ноября 2007 года.
У этой статьи по физике есть несколько проблем, помогите их исправить: |
Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер, Информация о Классическая физика, Что такое Классическая физика? Что означает Классическая физика?
Klassi cheskaya fi zika fizika do poyavleniya kvantovoj teorii i teorii otnositelnosti Osnovy klassicheskoj fiziki byli zalozheny v Epohu Vozrozhdeniya ryadom uchyonyh iz kotoryh osobenno vydelyayut Nyutona sozdatelya klassicheskoj mehaniki Klassicheskaya fizika osnovana na sleduyushih principah prichiny odnoznachno opredelyayut sledstviya determinizm prostranstvo i vremya yavlyayutsya absolyutnymi eto oznachaet chto oni nikak ne zavisyat ot materii zapolnyayushej prostranstvo i ot eyo dvizheniya pri etom rezultaty izmereniya prostranstvennyh i vremenny h otrezkov ne zavisyat ot vybrannoj sistemy otschyota v chastnosti ot skorosti dvizheniya izmeryaemogo obekta otnositelno nablyudatelya izmeneniya lyubyh velichin harakterizuyushih fizicheskuyu sistemu yavlyayutsya nepreryvnymi eto znachit chto pri perehode ot odnogo fiksirovannogo sostoyaniya k drugomu fizicheskaya sistema prohodit cherez beskonechnoe mnozhestvo perehodnyh sostoyanij v kotoryh vse fizicheskie parametry sistemy prinimayut promezhutochnye znacheniya mezhdu znacheniyami v nachalnom i konechnom sostoyaniyah Fundamentalnymi teoriyami klassicheskoj fiziki yavlyayutsya Klassicheskaya mehanika Termodinamika i statisticheskaya fizika Klassicheskaya elektrodinamika Ot Galileya i Nyutona do Maksvella i Bolcmana v ramkah klassicheskoj fiziki byla sozdana kartina stroeniya fizicheskogo mira kazavshayasya vo vtoroj polovine XIX veka bezuprechno tochnoj i ischerpyvayushe polnoj Krizis klassicheskoj fiziki na rubezhe XIX XX vekovK nachalu XX stoletiya nakopilsya ryad voprosov na kotorye v ramkah klassicheskoj fiziki ne udavalos najti otvety Spektry elektromagnitnogo izlucheniya Klassicheskaya teoriya sm Zakon Releya Dzhinsa ne davala udovletvoritelnogo opisaniya spektrov izlucheniya absolyutno chyornogo tela sm Ultrafioletovaya katastrofa i sushestvenno rashodilas s eksperimentalno nablyudaemymi izlucheniya i poglosheniya sveta gazoobraznymi veshestvami takzhe ne nahodili obyasneniya v ramkah klassicheskoj fiziki Istochnik energii Solnca i zvyozd Gipotezy proishozhdeniya energii zvyozd kotorye mogla predlozhit klassicheskaya fizika davali nichtozhnye znacheniya etoj energii yavno ne otvechayushie dejstvitelnosti Yavlenie radioaktivnosti obnaruzhennoe v 1896 g A Bekkerelem i izuchennoe v konce XIX v Mariej i Perom Kyuri svidetelstvovalo o tom chto v atomah veshestva zaklyuchaetsya ogromnaya po sravneniyu s ih razmerami i massoj energiya proishozhdenie kotoroj v ramkah klassicheskoj fiziki bylo neobyasnimo Krasnaya granica vneshnego fotoeffekta maksimalnaya dlya dannogo materiala katoda dlina volny elektromagnitnogo izlucheniya vyshe kotoroj fotoeffekt ne nablyudaetsya pri lyuboj intensivnosti oblucheniya takzhe ne nahodila obyasneniya v klassicheskoj fizike Eksperimentalnye nablyudeniya elektrona chasticy obnaruzhennoj v konce XIX v pokazali chto otnoshenie ego zaryada k masse ne postoyanno a zavisit ot skorosti ego dvizheniya chto protivorechilo teoreticheskim polozheniyam klassicheskoj fiziki K koncu XIX veka vsyo bolshe somnenij vyzyvala koncepciya absolyutnogo prostranstva kotoroe v sootvetstvii s samoj etoj koncepciej yavlyaetsya nenablyudaemym Voznikalo protivorechie dlya fiziki po opredeleniyu ne sushestvuet veshej ne obnaruzhivaemyh ni v kakih eksperimentah a mezhdu tem vo vseh teoreticheskih postroeniyah klassicheskoj fiziki yavno ili neyavno predpolagaetsya sushestvovanie absolyutnogo prostranstva Nekotoroe vremya sohranyalas nadezhda razreshit eto protivorechie putyom obnaruzheniya efira gipoteticheskoj materialnoj sredy zapolnyayushej absolyutnoe prostranstvo i v kotoroj kak predpolagalos rasprostranyayutsya elektromagnitnye volny no opyt Majkelsona postavlennyj v 1887 godu imenno s etoj celyu sushestvovanie efira ne obnaruzhil Nesootvetstvie etih i drugih nablyudaemyh yavlenij klassicheskim teoriyam porozhdalo somnenie vo vseobshnosti teh fundamentalnyh principov na kotoryh postroeny eti teorii v tom chisle zakonov sohraneniya massy energii i impulsa Etu situaciyu znamenityj francuzskij matematik i fizik Anri Puankare nazval krizisom fiziki Chto zhe ostayotsya netronutym sredi vseh etih ruin Kakuyu zhe poziciyu dolzhna zanyat matematicheskaya fizika pri nalichii etogo vseobshego razgroma principov Stanovlenie novoj fiziki Kvantovaya teoriya Osnovnaya statya Kvantovaya teoriya V 1900 g nemeckij fizik Maks Plank predlagaet soglasno kotoroj svet izluchaetsya ne nepreryvno kak eto predpolagaetsya klassicheskoj teoriej a diskretno porciyami kotorye Plank nazval kvantami Nesmotrya na paradoksalnost etoj teorii v kotoroj izluchenie sveta rassmatrivaetsya kak nepreryvnyj volnovoj process i v to zhe vremya kak potok chastic kvantov ona horosho opisyvala formu nepreryvnogo spektra teplovogo izlucheniya tvyordyh i zhidkih tel V 1905 g Albert Ejnshtejn ishodya iz predpolozheniya kvantovoj prirody sveta dayot matematicheskoe opisanie yavleniya fotoeffekta pri etom stanovitsya obyasnimoj priroda krasnoj granicy fotoeffekta Imenno za etu rabotu a ne za Teoriyu otnositelnosti Ejnshtejnu v 1921 g prisuzhdaetsya Nobelevskaya premiya V 1926 g Nils Bor predlagaet Kvantovuyu teoriyu atoma soglasno kotoroj elektrony sostavlyayushie elektronnuyu obolochku atoma mogut nahoditsya tolko v schyotnom mnozhestve diskretnyh sostoyanij orbit s fiksirovannymi parametrami kvantovymi chislami a perehody elektrona s orbity na orbitu proishodyat pri pogloshenii ili izluchenii kvantov sveta ne nepreryvno a skachkoobrazno bez promezhutochnyh sostoyanij sm Postulaty Bora Takim obrazom kvantovyj princip pomimo sveta rasprostranyalsya i na dvizhenie elektrona Eta teoriya horosho obyasnyala izlucheniya i poglosheniya elektromagnitnyh voln gazami a krome togo pozvolyala ponyat fizicheskuyu prirodu himicheskogo soedineniya svojstv himicheskih elementov i Periodicheskogo zakona Mendeleeva V dalnejshem kvantovaya mehanika stanovitsya glavnym instrumentom teoreticheskoj fiziki pri opisanii processov mikromira V hode razvitiya kvantovoj mehaniki proizoshyol otkaz ot zhyostkogo determinizma klassicheskoj fiziki i prinyat princip neopredelyonnosti Gejzenberga sm Blagodarya kvantovym predstavleniyam udalos najti adekvatnye opisaniya yavlenij proishodyashih v yadrah atomov i v nedrah zvyozd radioaktivnosti fiziki elementarnyh chastic fiziki tvyordogo tela fiziki nizkih temperatur sverhprovodimosti i sverhtekuchesti Eti predstavleniya posluzhili teoreticheskoj bazoj dlya sozdaniya mnozhestva prakticheskih prilozhenij fiziki atomnoj energetiki poluprovodnikovoj tehniki lazerov i dr Teoriya otnositelnosti Osnovnaya statya Teoriya otnositelnosti V 1905 g Albert Ejnshtejn predlozhil Specialnuyu teoriyu otnositelnosti v kotoroj otvergaetsya koncepciya absolyutnosti prostranstva i vremeni i deklariruetsya ih otnositelnost velichiny prostranstvennyh i vremennyh otrezkov otnosyashihsya k nekotoromu fizicheskomu obektu zavisyat ot skorosti dvizheniya obekta otnositelno vybrannoj sistemy otschyota sistemy koordinat V raznyh sistemah koordinat eti velichiny mogli prinimat raznye znacheniya V chastnosti odnovremennost nezavisimyh fizicheskih sobytij takzhe byla otnositelnoj sobytiya proishodivshie odnovremenno v odnoj sisteme koordinat v drugoj mogli proishodit v raznye momenty vremeni Eta teoriya pozvolyala postroit logicheski neprotivorechivuyu kinematicheskuyu kartinu mira bez ispolzovaniya ponyatij nenablyudaemyh absolyutnogo prostranstva absolyutnogo vremeni i efira Nekotoroe vremya teoriya ostavalas gipotezoj ne imeyushej eksperimentalnyh podtverzhdenij a v 1916 g Ejnshtejn publikuet Obshuyu teoriyu otnositelnosti mehaniku postroennuyu na principah otnositelnosti deklarirovannyh v specialnoj teorii Vskore eta teoriya nashla podtverzhdenie obyasnenie anomalnoj precessii perigeliya Merkuriya kotoruyu klassicheskaya astronomiya bezuspeshno pytalas obyasnit nalichiem v Solnechnoj sisteme eshyo odnoj planety bolee blizkoj k Solncu chem Merkurij i kotoruyu tak i ne udalos obnaruzhit Na segodnya imeetsya uzhe bolshoe kolichestvo eksperimentalnyh dokazatelstv spravedlivosti teorii otnositelnosti V chastnosti i obyasnenie obnaruzhennoj eshyo v XIX v zavisimosti massy elektrona ot ego skorosti soglasno teorii otnositelnosti nablyudaemaya massa lyubogo fizicheskogo tela tem bolshe chem bolshe skorost ego dvizheniya otnositelno nablyudatelya a elektrony nablyudaemye v eksperimentah imeyut obychno dostatochno bolshuyu skorost chtoby proyavlenie relyativistskih effektov bylo zametno Klassicheskaya fizika segodnyaNesmotrya na to chto v ramkah klassicheskoj fiziki mnogie yavleniya ne nashli adekvatnogo opisaniya ona i segodnya yavlyaetsya sushestvennoj chastyu zolotogo fonda znanij chelovechestva i naibolee vostrebovana v bolshinstve prilozhenij fiziki i inzhenernyh disciplin Ona vhodit obyazatelnoj sostavnoj chastyu v kursy obshej fiziki prepodayushiesya vo vseh estestvennonauchnyh i inzhenernyh uchebnyh zavedeniyah mira Obyasnyaetsya eto tem chto preimushestva novoj fiziki skazyvayutsya tolko v specialnyh sluchayah Kvantovye effekty sushestvenno proyavlyayutsya v mikromire na rasstoyaniyah sravnimyh s razmerami atoma pri mnogo bo lshih rasstoyaniyah kvantovye uravneniya svodyatsya k klassicheskim Neopredelyonnost Gejzenberga sushestvennaya na urovne mikromira na urovne makromira ischezayushe mala po sravneniyu s pogreshnostyami prakticheskih izmerenij fizicheskih velichin i rezultatov vychislenij osnovannyh na etih izmereniyah Relyativistskaya fizika tochnee opisyvaet obekty gigantskoj massy sravnimoj s massoj galaktik i dvizhenie tel so skorostyami blizkimi k skorosti sveta Pri malyh skorostyah i malyh massah opisyvaemyh obektov uravneniya teorii otnositelnosti svodyatsya k uravneniyam klassicheskoj mehaniki V to zhe vremya matematicheskij apparat klassicheskoj fiziki proshe i ponyatnej s pozicij povsednevnogo opyta i v bolshinstve sluchaev tochnost rezultatov poluchennyh metodami klassicheskoj fiziki vpolne udovletvoryaet potrebnostyam praktiki Takim obrazom novaya fizika ne tolko ne privela k polnomu otricaniyu metodov i dostizhenij klassicheskoj fiziki no spasla eyo ot vseobshego razgroma o kotorom pisal A Puankare v 1905 g cenoj otkaza ot takih klassicheskih principov kak determinizm nepreryvnost izmenenij fizicheskih velichin i absolyutnost prostranstva i vremeni PrimechaniyaAnri Puankare O Nauke Chast 2 Cennost nauki Gl VIII IX Perevod s francuzskogo pod red L S Pontryagina M Nauka 1990 g format djvu neopr Data obrasheniya 27 marta 2009 Arhivirovano 15 noyabrya 2007 goda U etoj stati po fizike est neskolko problem pomogite ih ispravit V state ne hvataet ssylok na istochniki sm rekomendacii po poisku Informaciya dolzhna byt proveryaema inache ona mozhet byt udalena Vy mozhete otredaktirovat statyu dobaviv ssylki na avtoritetnye istochniki v vide snosok 26 yanvarya 2011 Pozhalujsta posle ispravleniya problemy isklyuchite eyo iz spiska parametrov Posle ustraneniya vseh nedostatkov etot shablon mozhet byt udalyon lyubym uchastnikom
