Klassisk fysik

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning

Klassisk fysik omfatter delområder af fysikken , der undvære begreberne kvantisering og fire-dimensionelle rum - tid . Disse er klassisk mekanik (herunder himmelsk mekanik og klassisk statistisk mekanik ), klassisk elektrodynamik (inklusive optik ) og klassisk termodynamik eller termodynamik. De tilsvarende teorier blev oprettet fra 1600 -tallet og er løbende blevet udviklet siden da. For de makroskopiske fysiske processer i naturen og teknologien muliggør klassisk fysik en næsten fuldstændig forståelse på mange områder. Men det formår ikke at beskrive det mikroskopiske (elementarpartikler, atomer, molekyler ...) og det astronomiske store. Derfor er fysikken siden omkring 1900 blevet udvidet med radikalt nye begreber, der i fællesskab omtales som moderne fysik og står i kontrast til klassisk fysik. I forbindelse med moderne fysik har det vist sig, at nogle af de delvis grundlæggende termer og teorier i klassisk fysik, som synes at være absolut gyldige, når de observeres under makroskopiske forhold, faktisk kun er omtrent korrekte.

betyder

Med de udvidelser og korrektioner, der er foretaget i løbet af de sidste 100 år, har den klassiske fysik på ingen måde mistet sin betydning; den har snarere den samme gyldighed som tidligere inden for sit etablerede anvendelsesområde, dvs. frem for alt i makroskopisk fysik. Klassisk fysik stammer fra moderne fysik som en beskrivelse af virkeligheden, der er omtrentlig korrekt. Mange fysiske spørgsmål, især stofets egenskaber og egenskaber, kan kun forklares ved kvanteteori og relativitetsteori.

Klassisk mekanik, herunder klassisk statistisk mekanik og kontinuummekanik , elektrodynamik , klassisk termodynamik og optik er inkluderet i klassisk fysik. Nogle gange er den særlige relativitetsteori også inkluderet, fordi den er udviklet ud fra elektrodynamik. De ændringer, relativitetsteorien udløste i fysikken, går langt ud over elektrodynamikken.

Klassisk fysik er baseret på en række antagelser, som ifølge moderne fysik er omtrent korrekte i vores tættere erfaring, men generelt ikke gælder strengt:

Klassisk fysik Moderne fysik
Koordinere transformationer Tider og længder er absolutte værdier, det vil sige uafhængigt af valget af referencesystem . Derfor afhænger hver hastighed, herunder lysets hastighed, af observatørens bevægelsestilstand (se Galileo -transformation ). Lysets hastighed er en absolut mængde, det vil sige uafhængigt af valget af referencesystem. Følgelig afhænger tider og længder af observatørens bevægelsestilstand (se tidsudvidelse , længdekontraktion og Lorentz -transformation )
Rummets struktur Alle fysiske processer finder sted i et tredimensionelt kartesisk rum . Lovene i den euklidiske geometri gælder. Tiden går uanset plads. De tre dimensioner af rum og tid er sammenvævet og danner tilsammen et fire -dimensionelt rum - tid .
Tyngdekraftens art Ifølge Isaac Newton er tyngdekraft en handling på en afstand, der er beskrevet af gravitationsloven . Træghedskræfter og tyngdekræfter er ækvivalente med hinanden. De fungerer ved hjælp af rumtidens krumning .
Bevaring af masse og energi Masse og energi er konserverede mængder . Energien er en bevaret mængde, men massen ikke. På grund af masseenergiækvivalensen mister et system også masse, når det udstråler energi, selvom det ikke afgiver noget stof.
Kvantisering Ifølge Maxwells ligninger for elektrodynamik kan elektromagnetiske bølger , som også inkluderer lys, eksistere med ethvert energiindhold. Lysenergi forekommer altid i kvantiseret form , dvs. i diskrete energidele ( fotoner ).
Fysisk målenøjagtighed Placeringen og momentumet for et fysisk objekt (eller andre par konjugerede størrelser ) kan i princippet bestemmes på ethvert tidspunkt med en høj grad af nøjagtighed. Der er kun en praktisk grænse på grund af den maksimalt teknisk opnåelige præcision. Den maksimalt opnåelige nøjagtighed ved bestemmelse af position og momentum (eller andre par konjugerede størrelser) er ikke kun begrænset i praktiske målinger, men i princippet ifølge Heisenbergs usikkerhedsprincip , når begge størrelser defineres.
determinisme Med tilstrækkelig præcis viden om alle naturlove og parametre kan et fysisk systems adfærd forudsiges præcist ( determinisme af klassisk fysik). Ifølge kvantfysikkens love kan der kun fremsættes præcise udsagn om sandsynlighederne for forskellige udviklinger i systemet ( københavnsk fortolkning af kvantemekanik ).

I praksis afgøres det ved fysiske spørgsmål ofte på grundlag af den krævede nøjagtighed eller de relevante størrelsesordener, om en klassisk behandling er mulig, eller om der skal tages hensyn til kvante- eller relativistiske effekter. Forklarende modeller, der kun delvist opgiver de klassiske ideer, omtales som "semi-klassiske", som f.eks B. Bohrs atommodel .

historie

Den klassiske fysiks epoke strækker sig omkring det 17., 18. og 19. århundrede. Det blev grundlagt af Galileo Galilei med introduktionen af ​​den eksperimentelle metode og den matematiske beskrivelse af fysiske processer. Han undersøgte bevægelser og forsøgte at beskrive dem systematisk og kvantitativt og skabte kinematik som det første delområde af klassisk mekanik. [1] Selve fundamentet for mekanik var imidlertid af Isaac Newton set. [2] Han indførte ikke kun infinitesimalregning i fysikken, men gav også Newtons love et ensartet grundlag for alle dynamiske processer ved at etablere en forbindelse mellem kræfter og bevægelser. Derudover var det ham, der opstillede tyngdeloven , som Henry Cavendish kunne kontrollere kvantitativt i laboratorieforsøg. Newtons fund blev senere teoretisk uddybet af blandt andre d'Alembert , Euler , Lagrange og Hamilton og udvidet til væsker af Bernoulli , Navier og Stokes .

I første omgang blev elektricitet undersøgt rent fra et fænomenologisk synspunkt. Benjamin Franklin indså, at der kun er én type ladning, som naturligvis kan være positiv eller negativ. De attraktive og frastødende kræfter mellem anklagerne blev beskrevet af Coulomb ved en lov , der formelt ligner Newtons gravitationslov. Lovene i det elektriske kredsløb stammer fra Ohm og Kirchhoff . Det er rigtigt, at magnetostatik allerede var blevet undersøgt af Gilbert i 1500 -tallet. Forbindelsen mellem elektriske og magnetiske kræfter blev kun gradvist opdaget, blandt andet af Ampère og Faraday . Det lykkedes Maxwell at opsummere disse forhold i fire ligninger . [3] Af disse ligninger kunne det udledes, at der skal være elektromagnetiske bølger, som Hertz kunne detektere i forsøg. Korrespondancen mellem disse bølgers hastighed og lysets hastighed antydede, at lys er en elektromagnetisk bølge.

Indtil da havde lysets art længe været et spørgsmål om strid. Newton havde beskrevet det som en partikel, men Huygens havde allerede mistanke om, at lys er en bølge. Dette blev bekræftet af Youngs dobbeltspalteforsøg.

Termodynamik var endelig først og fremmest optaget af ændringer i gassernes tilstand, f.eks. B. af fysikerne Gay-Lussac , Boyle , Mariotte og Amontons , hvilket endelig førte til den generelle gasligning . I det 19. århundrede opstod ideen om, at mekanikkens " levende kraft " og termodynamikkens "varme" var beslægtede udtryk. Joule var blandt andet i stand til at måle det "mekaniske varmeækvivalent". [4] Dette fødte ideen om, at der er en universel fysisk størrelse, som vi kalder energi i dag. Mayer indså, at det var et spørgsmål om bevarelse. Dette er det væsentlige indhold i den første termodynamiske lov. Den anden lov siger blandt andet, at selvom mekaniske energiformer kan omdannes til termiske energiformer efter behag, er det omvendte ikke muligt. Denne lov går tilbage til Clausius . [5] En dybere forståelse af termodynamik blev imidlertid først opnået, da man begyndte at beskrive termodynamiske processer på partikelniveau. På grund af det uhåndterligt store antal partikler måtte man gøre dette ved hjælp af statistisk mekanik, som kan spores tilbage til blandt andet Boltzmann .

omrids

Følgende områder er inkluderet i klassisk fysik:

Grænser

I slutningen af ​​1800 -tallet blev fysik anset for at være næsten fuldstændig, selvom fysikere allerede vidste, at visse fænomener i naturen ikke kunne forenes med de love på den klassiske fysik, der var kendt dengang. Nogle eksempler er:

  • I klassiske beregninger syntes den accelererede elektron at have forskellige masser afhængigt af måleopsætningen. Man talte om en "tværgående" og en "langsgående" masse. I 1905 viste Einstein i sin særlige relativitetsteori, at kroppens masse er invariant, men at længder, tider og impulser og dermed kroppens inertielle adfærd afhænger af valget af referencesystem.
  • Perihelionen af Merkurius kredsløb var 0,43 lysbuesekunder om året større end klassiske beregninger kunne forklare. En nøjagtig beregning af Merkur -kredsløbet var kun mulig ved hjælp af den generelle relativitetsteori af Einstein i 1915.
  • Intensiteten af ​​strålingen fra et sort legeme kunne kun forklares godt i området med lave frekvenser. For de høje frekvenser gav den klassiske fysik derimod absurd høje numeriske værdier, som blev omtalt som en " ultraviolet katastrofe ". Intet af den slags blev observeret i forsøget. Max Planck lykkedes at løse dette problem i 1900 med indførelsen af kvantehypotesen (se Plancks lov om stråling ).
  • Strukturen af ​​sagen kunne ikke forklares med klassiske metoder. Især ideen om et atom, hvor elektroner kredser om en atomkerne i stabile kredsløb, modsagde lovene i klassisk elektrodynamik. Et sådant arrangement skulle kontinuerligt udsende energi, indtil elektronerne falder ned i atomkernen efter kort tid. I 1926 lykkedes det Erwin Schrödinger at behandle brintatomet matematisk ved at beskrive elektronen ikke som en klassisk, cirkulerende partikel, men som en stående bølge i atomkernens elektriske felt.
  • Radioaktivitet havde været kendt siden 1896, men den kunne slet ikke klassificeres i klassiske materiebegreber. For at forstå dem har man brug for både masse-energi ækvivalens fra relativitetsteorien og kvantefysiske tilgange til at beskrive interaktioner og partikler.

Individuelle beviser

  1. Galileo Galilei: Discorsi e dimostrazioni matematiche , Leiden 1638, tysk: Samtale og matematisk demonstration om to nye vidensgrene vedrørende mekanik og faldlove , online .
  2. ^ Isaac Newton: Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , 1687.
  3. ^ James Clerk Maxwell: En dynamisk teori om det elektromagnetiske felt . I: Philosophical Transactions of the Royal Society . Bind 155, 1865, s. 459-512, doi: 10.1098 / rstl.1865.0008 .
  4. ^ James Prescott Joule: Om den mekaniske varmeækvivalent . I: Annals of Physics and Chemistry. Bind 4, Verlag JA Barth, 1854, s. 601ff. (Tysk version af hans publikation udgivet i 1850). Tilgængelig på Google Bøger .
  5. Rudolf Clausius: Om varmeens bevægelige kraft og de love, der kan udledes heraf for selve teorien om varme i JC Poggendorff (red.): Annalen der Physik und Chemie , bind 79, 1850, online .