Классическая физика

18.12.2020


Классическая физика — 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 временных 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. Линейчатые спектры 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 Квантовую теорию излучения, 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 линейчатый спектр 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 больших 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.