Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Класична фізика



План:


Введення

Класична фізика - фізика до появи квантової теорії і теорії відносності. Основи класичної фізики були закладені в Епоху Відродження рядом вчених, з яких особливо виділяють Ньютона - творця класичної механіки.


Класична фізика заснована на наступних принципах:

  • причини однозначно визначають наслідки ( детермінізм);
  • простір і час є абсолютними - це означає, що вони ніяк не залежать від матерії, що заповнює простір і від її руху, при цьому результати вимірювання просторових і часових відрізків не залежать від обраної системи відліку, зокрема, від швидкості руху вимірюваного об'єкта відносно спостерігача;
  • зміни будь-яких величин, які характеризують фізичну систему, є безперервними - це означає, що при переході від одного фіксованого стану до іншого фізична система проходить через безліч перехідних станів, в яких всі фізичні параметри системи беруть проміжні значення між значеннями в початковому і кінцевому станах.

Фундаментальними теоріями класичної фізики є

Від Галілея і Ньютона до Максвелла і Больцмана в рамках класичної фізики була створена картина будови фізичного світу, яка здавалася в другій половині XIX ст. бездоганно точної і вичерпно повною.


1. Криза класичної фізики на рубежі XIX-XX вв

На початок XX століття накопичився ряд питань, на які в рамках класичної фізики не вдавалося знайти відповіді.

  • Спектри електромагнітного випромінювання. Класична теорія (див. Закон Релея - Джинса) не давала задовільного опису спектрів випромінювання абсолютно чорного тіла (див. Ультрафіолетова катастрофа), і істотно розходилася з експериментально спостережуваними. Лінійчаті спектри випромінювання газів також не знаходили пояснення в рамках класичної фізики.
  • Джерело енергії Сонця і зірок. Гіпотези походження енергії зірок, які могла запропонувати класична фізика давали нікчемні значення цієї енергії, явно не відповідають очевидності.
  • Явище радіоактивності, виявлене в 1896 А. Беккерелем, і вивчене в кінці XIX ст. Марією і П'єром Кюрі, свідчило про те, що в атомах речовини полягає величезна (у порівнянні з їх розмірами і масою) енергія, походження якої в рамках класичної фізики було незрозуміло.
  • Червона межа зовнішнього фотоефекту - максимальна (для даного матеріалу катода) довжина хвилі електромагнітного випромінювання, вище якої фотоефект не спостерігається при будь-якої інтенсивності опромінення, також не знаходила пояснення у класичній фізиці.
  • Експериментальні спостереження електрона - частки, виявленої в кінці XIX ст., показали, що ставлення його заряду до маси не постійно, а залежить від швидкості його руху, що суперечило теоретичним положенням класичної фізики.
  • До кінця XIX в. все більше сумнівів викликала концепція абсолютного простору, яке (відповідно до самої цієї концепції) є неспостережний. Виникало протиріччя: для фізики (за визначенням) не існує речей, не виявляються в жодних експериментах, а між тим, у всіх теоретичних побудовах класичної фізики явно чи неявно передбачається існування абсолютного простору. Деякий час зберігалася надія вирішити це протиріччя шляхом виявлення ефіру - гіпотетичної матеріального середовища, що заповнює абсолютний простір, і в якій (як передбачалося) поширюються електромагнітні хвилі, але досвід Майкельсона, поставлений в 1887 р. саме з цією метою, існування ефіру не виявив.

Невідповідність цих та інших спостережуваних явищ класичним теоріям породжувало сумнів у загальності тих фундаментальних принципів, на яких побудовані ці теорії, у тому числі законів збереження маси, енергії та імпульсу. Цю ситуацію знаменитий французький математик і фізик Анрі Пуанкаре назвав "кризою фізики".

Що ж залишається недоторканим серед всіх цих руїн? ...
Яку ж позицію повинна зайняти математична фізика при наявності цього загального розгрому принципів? [1]


2. Становлення "нової фізики"

2.1. Квантова теорія

У 1900 р. німецький фізик Макс Планк пропонує Квантову теорію випромінювання, згідно якої світло випромінюється не безперервно (як це передбачається класичною теорією), а дискретно - порціями, які Планк назвав квантами. Незважаючи на парадоксальність цієї теорії (в якій випромінювання світла розглядалося, як хвильовий процес, і, в той же час, як потік частинок - квантів), вона добре описувала форму спектра теплового випромінювання твердих і рідких тіл.
У 1905 р. Альберт Ейнштейн, виходячи з припущення квантової природи світла, дає математичний опис явища фотоефекту, при цьому стає зрозумілою природа червоною кордону фотоефекту. (Саме за цю роботу, а не за Теорію відносності, Ейнштейну в 1921 р. присуджується Нобелівська премія.)
У 1926 р. Нільс Бор пропонує Квантову теорію атома, згідно з якою електрони, що становлять електронну оболонку атома, можуть перебувати лише у рахунковому безлічі станів (орбіт) з фіксованими параметрами, а переходи з орбіти на орбіту відбуваються при поглинанні або випромінюванні квантів світла не безперервно, а стрибкоподібно, без проміжних станів (Див. Постулати Бора). Таким чином, квантовий принцип, крім світла, поширювався і на рух електрона. Ця теорія добре пояснювала лінійчатий спектр випромінювання і поглинання електромагнітних хвиль газами, а крім того, дозволяла зрозуміти фізичну природу хімічної сполуки, властивостей хімічних елементів, і Періодичного закону Менделєєва.
Надалі квантова механіка стає головним інструментом теоретичної фізики при описі процесів мікросвіту. У процесі розвитку квантової механіки відбулася відмова від жорсткого детермінізму класичної фізики, і прийнятий принцип невизначеності Гейзенберга (див.).
Завдяки квантовим уявленням вдалося знайти адекватні опису явищ, що відбуваються в ядрах атомів і в надрах зірок, радіоактивності, фізики елементарних частинок, фізики твердого тіла, фізики низьких температур ( надпровідності і надплинності). Ці уявлення послужили теоретичною базою для створення безлічі практичних застосувань фізики: атомної енергетики, напівпровідникової техніки, лазерів та ін


2.2. Теорія відносності

У 1905 р. Альберт Ейнштейн запропонував Спеціальну теорію відносності, в якій відхиляється концепція абсолютність простору і часу, і декларується їх відносність: величини просторових і часових відрізків, що відносяться до деякого фізичного об'єкту залежать від швидкості руху об'єкту відносно обраної системи відліку (системи координат). У різних системах координат ці величини могли приймати різні значення. Зокрема, одночасність незалежних фізичних подій також була відносною: події відбувалися одночасно в одній системі координат, в іншій могли відбуватися в різні моменти часу. Ця теорія дозволяла побудувати логічно несуперечливу кінематичну картину світу без використання понять неспостережуваних абсолютного простору, абсолютного часу і ефіру.
Деякий час теорія залишалася гіпотезою, яка не має експериментальних підтверджень, а в 1916 р. Ейнштейн публікує Загальну теорію відносності - механіка, побудовану на принципах відносності, декларованих в спеціальній теорії. Незабаром ця теорія знайшла підтвердження - пояснення аномальної прецесії перигелію Меркурія, яку класична астрономія безуспішно намагалася пояснити наявністю в Сонячній системі ще однієї планети, ближчою до Сонця, ніж Меркурій, і яку так і не вдалося виявити. На сьогодні є вже дуже багато експериментальних доказів справедливості теорії відносності. Зокрема, і пояснення виявленої ще в XIX ст. залежності маси електрона від його швидкості: згідно теорії відносності спостерігається маса будь-якого фізичного тіла тим більше, чим більше швидкість його руху відносно спостерігача, а електрони, які спостерігаються в експериментах, мають зазвичай досить велику швидкість, щоб прояв релятивістських ефектів було помітно.


3. Класична фізика сьогодні

Незважаючи на те, що в рамках класичної фізики багато явищ не знайшли адекватного опису, вона і сьогодні є суттєвою частиною "золотого фонду" знань людства, і найбільш затребувана у більшості програм фізики та інженерних дисциплін. Вона входить обов'язковою складовою частиною в курси загальної фізики, що викладають у всіх природничо-наукових і інженерних навчальних закладах світу.
Пояснюється це тим, що переваги "нової фізики" позначаються тільки в спеціальних випадках.

  • Квантові ефекти істотно проявляються в мікросвіті - на відстанях порівнянних з розмірами атома, при багато великих відстанях квантові рівняння зводяться до класичних.
  • Невизначеність Гейзенберга, істотна на рівні мікросвіту, на рівні макросвіту зникаюче мала в порівнянні з похибками практичних вимірювань фізичних величин і результатів обчислень, заснованих на цих вимірах.
  • Релятивістська фізика точніше описує об'єкти гігантської маси (порівнянної з масою галактик), і рух тіл зі швидкостями, близькими до швидкості світла. При малих швидкостях і малих масах описуваних об'єктів рівняння теорії відносності зводяться до рівнянь класичної механіки.

У той же час, математичний апарат класичної фізики простіше і зрозуміліше з позицій повсякденного досвіду, і в більшості випадків точність результатів, отриманих методами класичної фізики, цілком задовольняє потребам практики.

Таким чином, "нова фізика" не тільки не привела до повного заперечення методів і досягнень класичної фізики, але врятувала її від "загального розгрому", про який писав А. Пуанкаре в 1905 р., ціною відмови від деяких класичних принципів.


Примітки



Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Класична термодинаміка
Класична література
Класична філологія
Класична механіка
Класична музика
Класична логіка
Класична гітара
Класична Греція
Класична політична економія
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru