Klasikinė fizika: apibrėžimas, pagrindinės sąvokos ir istorija
Klasikinė fizika: aiškus apibrėžimas, pagrindinės sąvokos ir istorija — nuo judėjimo, šviesos, gravitacijos iki pereigos prie Einšteino reliatyvumo ir kvantinės mechanikos.
Klasikinė fizika - tai fizika, sukurta iki XX a. Ši fizikos dalis nagrinėja tokius dalykus kaip judėjimas, šviesa, gravitacija ir elektra.
Šiandien daugumoje fizikos sričių naudojamos sudėtingesės nei klasikinės fizikos idėjos, nes XX a. fizikai atrado du geresnius būdus gamtai aprašyti: reliatyvumo teoriją ir kvantinę mechaniką.
Paaiškėjo, kad klasikinė fizika neveikia, kai tiriami dalykai yra labai labai maži (maždaug atomo dydžio ar mažesni) arba juda labai labai greitai (maždaug šviesos greičiu). Todėl maždaug XX a. pradžioje Albertas Einšteinas sukūrė reliatyvumo teoriją, o tokie žmonės kaip Neilsas Boras, Verneris Heizenbergas ir Erwinas Schrödingeris sukūrė kvantinę mechaniką.
Ką apima klasikinė fizika
Klasikinė fizika yra plati disciplina, apimanti kelias pagrindines sritis ir modelius, kurie veiksmingi daugelyje kasdienių reiškinių bei inžinerinių uždavinių. Svarbiausios sritys ir sąvokos:
- Kinematika ir dinamika (Niutono mechanika) – judėjimo aprašymas naudojant jėgas, pagreičius ir masę. Pagrindas: Niutono trys dėsniai.
- Gravitacija – masių tarpusavio traukos modeliavimas pagal Niutono gravitacijos dėsnį (klasikinis aprėptis planetų ir palydovų judėjimui).
- Elektromagnetizmas – elektrinių ir magnetinių laukų sąveika, aprašoma Maksvelo lygtimis; pagrindas daugeliui šiuolaikinių technologijų.
- Termodinamika – energijos, šilumos ir darbo sąvokos, sistemų šiluminė būsena, lygtys ir principai (Pirmas ir Antrasis termodinamikos dėsniai ir kt.).
- Ištemptosios medžiagos ir elastingumas – mechanika, kurioje nagrinėjami medžiagų elgesys pagal tempimo, suspaudimo ir lenkimo jėgas (pavyzdžiui, Hooke’o dėsnis).
- Bangų teorija ir optika – šviesos bei mechaninių bangų savybės, atspindys, lūžis, interferencija, difrakcija.
- Skysčių dinamika ir srautų teorija – skysčių ir dujų judėjimas, panaudojama inžinerijoje ir meteorologijoje.
- Statistinė mechanika (klasikinė) – mikroskopinių dalelių elgesio apibendrinimas į termodinaminius dydžius.
Pagrindinės sąvokos ir dėsniai
- Niutono trys dėsniai – judėjimo ir jėgų fundamentas (inercija, F = ma, veiksmų ir reakcijų dėsnis).
- Energijos ir momento tvermė – energija ir mechaninis momentas (impulsas) bet kurioje izoliuotoje sistemoje išlieka.
- Maksvelo lygtys – keturios lygtys, aprašančios elektrinius ir magnetinius laukus bei jų sąveiką su krūviais.
- Termodinamikos dėsniai – pagrindiniai principai apie energijos transformacijas ir negalimybę sukurti amžino variklio.
- Niutono gravitacijos dėsnis – universalios traukos jėgos priklausomybė nuo masių ir atstumo (klasikinis planetų judėjimo aprašymas).
Istorinė raida
Klasikinė fizika formavosi per kelis šimtmečius. Svarbiausi etapai:
- XVII a. – Galileo Galilėjus aiškino judėjimo principus ir eksperimentais prieštaravo aristotelinėms idėjoms.
- XVII a. pabaigoje – Isaacas Niutonas suformulavo mechanikos ir gravitacijos pagrindus, kurie dominavo iki XIX a. pabaigos.
- XIX a. – James Clerk Maxwell apibrėžė elektromagnetizmą, o klasikinės termodinamikos pagrindus išvystė tokie mokslininkai kaip Sadi Carnot, Rudolf Clausius, James Joule ir Ludwig Boltzmann.
- XX a. pradžioje – eksperimentai ir teoriniai atradimai (pvz., juodosios kūno spinduliuotės ir fotoefekto anomalijos) parodė, kad klasikiniai modeliai nevisada tinkami, todėl atsirado reliatyvumo teorija ir kvantinė mechanika.
Klasikinės fizikos apribojimai ir pereiga į modernią fiziką
Klasikinė fizika paprastai duoda labai gerus rezultatus tada, kai:
- judėjimo greičiai yra daug mažesni už šviesos greitį,
- svarstomi objektai yra pakankamai dideli, kad kvantiniai efektai būtų neberiškinami,
- gravitacinės lauko stiprumas nėra ekstremalus (ne arti juodųjų skylių ar labai didelių masių tankių).
Jeigu šios sąlygos nėra tenkinamos, reikia naudoti reliatyvumo teoriją arba kvantinę mechaniką. Vis dėlto klasikinis aprašymas dažnai išlieka naudingas kaip aproksimacija ir pradinė priemonė sprendžiant praktines užduotis — šiai idėjai atitinka ir vadinamoji atitikties (correspondence) principas, pagal kurį modernios teorijos tam tikruose ribiniuose atvejuose susilygina su klasikine fizika.
Praktinis pritaikymas
Klasikinė fizika sudaro daugelio technologijų ir inžinerijos disciplinų pagrindą:
- statika ir mechanika – statinių, transporto priemonių ir mechanizmų projektavimui,
- elektrotechnika ir radiotechnika – elektros grandinių ir antenų projektavimui,
- termodinamika – šiluminių variklių, šaldymo ir energetikos sistemų analizavimui,
- optika – lęšių, optinių instrumentų ir spektroskopijos plėtotei,
- hidrodinamika – vamzdynų, laivų, oro srauto ir aplinkos sistemų modeliavimui.
Išvados
Klasikinė fizika yra pamatas, ant kurio pastatytos daugumos inžinerinių ir technologinių sprendimų teorinės prielaidos. Nors ji turi aiškių ribų — labai mažų dydžių ir labai didelių greičių srityse — klasikiniai modeliai ir dėsniai tebėra nepaprastai naudingi, aiškūs ir intuityvūs. Modernios teorijos juos papildo ir praplečia, bet klasikinė fizika išlieka esmine dalimi mokslo ir technikos švietime bei taikymuose.
Istorija
Seras Izaokas Niutonas ir daugelis mokslininkų prieš jį padėjo sukurti klasikinę fiziką. Jie pastebėjo, kad kai kurie gamtos reiškiniai, pavyzdžiui, obuolio kritimas, kiekvieną kartą vyksta vienodai. Niutonas sudarė lygtis, kurios leido nuspėti tokius įvykius. Šias lygtis jis pavadino fizikos dėsniais.
Niutono fizikos dėsniai buvo išbandyti eksperimentais ir taikant juos darbe. Kartais įvairūs dalykai (pavyzdžiui, galingi vėjai) šiek tiek sujaukia eksperimento rezultatus, ir rezultatai būna šiek tiek neteisingi. Tačiau kai žmonės stengiasi atsikratyti šių papildomų veiksnių, eksperimentų rezultatai beveik visada priartėja prie to, ką numato Niutono dėsniai.
Klasikinės fizikos sritys
- Mechanika (kaip svirtys padeda pakelti daiktus, kaip automobiliai važiuoja išjungus variklį ir pan.)
- Termodinamika (kodėl vienus dalykus laikome karštais, o kitus - šaltais, kodėl vandenį reikia šildyti ilgiau nei orą ir pan. )
- Elektra (kodėl trinant vieną daiktą į kitą gali atsirasti statinis krūvis, kodėl elektronai juda laidais, kodėl žaibas gali nutolti didžiuliais atstumais ir t. t.).
- Magnetizmas (kodėl kompaso adatos rodo į šiaurės ir pietų polius, kodėl vinys, apvyniotos aplink ir aplink izoliuotą vielą, veikia kaip magnetai, kai per vielą teka nuolatinė srovė, ir t. t.).
- Optika (kodėl saulės šviesa, prasiskverbianti pro lietaus lašus, gali sukurti vaivorykštę, kodėl prizmės išlenkia šviesą ir sukuria spektrą, panašų į vaivorykštės, kodėl lęšiai gali padidinti daiktus, kaip pagaminti galingus teleskopus su lęšiais ir be jų ir t. t.)
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra klasikinė fizika?
A.: Klasikinė fizika - tai fizikos šaka, kuri buvo sukurta iki XX amžiaus. Ji tiria tokius dalykus kaip judėjimas, šviesa, gravitacija ir elektra.
K: Kaip klasikinė fizika pasikeitė XX amžiuje?
A: XX a. fizikai atrado du geresnius gamtos aprašymo būdus - reliatyvumo teoriją ir kvantinę mechaniką, todėl klasikinė fizika tapo mažiau naudinga tiriant labai mažus ar greitai judančius objektus.
K: Kas dirbo kurdamas naujas teorijas XX amžiuje?
A: Albertas Einšteinas sukūrė reliatyvumo teoriją, o tokie žmonės kaip Neilsas Boras, Verneris Heizenbergas ir Ervinas Šredingeris sukūrė kvantinę mechaniką.
K: Kada klasikinė fizika neveikia?
A: Klasikinė fizika neveikia, kai tiriami labai maži objektai (maždaug atomo dydžio ar mažesni) arba kai tiriami labai greitai (maždaug šviesos greičiu) judantys objektai.
K: Kokius pavyzdžius nagrinėja klasikinė fizika?
A: Klasikinės fizikos nagrinėjamų temų pavyzdžiai yra judėjimas, šviesa, gravitacija ir elektra.
K: Kokios dvi teorijos XX a. pakeitė klasikinę fiziką?
A: Dvi teorijos, XX amžiuje pakeitusios klasikinę fiziką, buvo reliatyvumo teorija ir kvantinė mechanika.
Ieškoti