Кіріспе

Физикада механика – заттардың, олардың өзара әрекеттесуі және қозғалысын зерттейтін сала; классикалық механика – салыстырмалы емес және кванттық емес жуықтаулармен шектелген механика. Классикалық механиканың көптеген техникалары 1900 жылға дейін дамыды, сондықтан «классикалық механика» термині осы тарихи кезеңге де, сондай-ақ осы жуықтауларға да қатысты. Физиканың сол дәуірде дамыған, осы жуықтауларды қолданатын және «классикалық» деп есептелетін басқа салаларына термодинамика (термодинамика тарихына қараңыз) және электромагнетизм (электромагнетизм тарихына қараңыз) жатады. Классикалық механикадағы маңызды тарихи оқиға – Исаак Ньютонның қозғалыс заңдарын жариялағандығы және оның математикалық есептеу технологиясын 1678 жылы дамытуы. Механиканың аналитикалық құралдары келесі екі ғасыр бойында өркендеді, соның ішінде Гамильтон механикасы және әрекет принциптері дамыды, бұл кванттық механика мен салыстырмалылық теориясының дамуына маңызды концепциялар болды.

Ежелгі дәуір

Ежелгі грек философтары, әсіресе Аристотель, табиғатты абстрактілі принциптер басқарады деген тұжырымды алғашқылардың бірі болып ұсынды. Аристотель "Аспан туралы" еңбегінде, жердегі денелердің "табиғи орнына" көтерілуі немесе түсуі мүмкін екенін айтты және дененің құлау жылдамдығы оның салмағына пропорционалды және оның түсіп бара жатқан сұйықтықтың тығыздығына кері пропорционалды екенін дұрыс бағалап, заң ретінде жариялады. Аристотель "табиғи қозғалыс" пен "күшпен жасалған қозғалыс" арасындағы айырмашылықты көрсетті және ол "бос кеңістікте", яғни вакуумде, тыныш тұрған дененің тыныш күйде қалатынын және қозғалыстағы дененің сол қозғалысын сақтайтынын сенді. Осылайша, Аристотель инерция заңына ұқсас нәрсеге алғашқы қадам жасады. Дегенмен, ол вакуумның болуы мүмкін емес деп ойлады, себебі оны қоршаған ауа бірден толтыруға тырысады. Сондай-ақ, ол күштер алынғаннан кейін дененің табиғи емес бағытта қозғалуын тоқтатуына сенді. Кейінгі Аристотельшілер садақтан ұшқан жебенің ауада әрі қарай ұшуын түсіндіру үшін, жебе өзінің артында вакуум жасайды, оған ауа ағылып кіріп, оны артқа итереді деген гипотеза ұсынды. Аристотельдің көзқарастарына Платонның аспанның толық және дөңгелек қозғалысының кемелдігі туралы ілімі әсер еткен. Осының нәтижесінде ол аспанның қозғалысы міндетті түрде кемелді болатын табиғи тәртіпті құрастырды, бұл өзгеріп отыратын элементтердің жердегі әлемінен өзгеше болды, онда жандар пайда болып, жоғалады. Математика тыныш немесе қозғалыстағы денелерді талдау үшін қолданылатын тағы бір дәстүр бар, ол ежелгі гректерге дейін жетеді және бұл Пифагоршылардың еңбектерінде кездесуі мүмкін. Бұл дәстүрдің басқа мысалдары: Евклид (Тепе-теңдік туралы), Архимед (Жазықтықтардың тепе-теңдігі туралы, Суда жүзу туралы) және Герон (Механика). Кейіннен ислам және Византия ғалымдары осы еңбектерді дамытып, 12 ғасырда және қайтадан Ренессанс кезеңінде Батысқа қайта енгізді немесе қолжетімді етті.

Ортағасырлық ой

Парсы ислам ғалымы Ибн Сина өзінің қозғалыс теориясын "Шипагерлік кітабында" (1020 ж.) жариялады. Ол, лақтырушының снарядқа серпіліс күшін беретінін, ал оның тұрақты болып қалатынын, оны жою үшін ауа кедергісі сияқты сыртқы күштер қажет екенін айтты. Ибн Сина "күш" пен "майыс" ("майл" деп аталады) арасында ажырату жасап, заттың табиғи қозғалысына қарсы болғанда ғана майысқа ие болатынын дәлелдеді. Сондықтан, қозғалыстың жалғасуы нысанға берілген майысқа байланысты екенін, ал нысан майыс толық жұмсалғанға дейін қозғалыста болады деп қорытындылады. Ол сондай-ақ, вакуумдағы снаряд оған әсер етілмесе тоқтамайды деп мәлімдеді. Бұл қозғалыс тұжырымы Ньютонның қозғалыс бірінші заңымен, инерциямен сәйкес келеді. Ол, қозғалыстағы нысан сыртқы күш әсер етпесе, қозғалысын сақтайды деуге болады. 12 ғасырда Хибат Алла Абу'л Баракат әл Багдади Авиценнаның снаряд қозғалысы туралы теориясын қабылдап, өзгертті. Әбул Баракат өзінің "Китаб әл Мутабар" кітабында қозғалтқыш қозғалған нысанға күшті майыс (майл қасри) береді және бұл қозғалған нысан қозғалтқыштан алшақтаған сайын азаяды деп мәлімдеді. Шломо Пайнс айтуынша, әл-Багдадидің қозғалыс теориясы "Аристотельдің негізгі динамикалық заңына [яғни, тұрақты күш біртекті қозғалыс туғызады] жасалған ең ерте қарсылық болып табылады, [осылайша] классикалық механиканың негізгі заңының [яғни, үнемі қолданылатын күш үдеу туғызады] шамалы болжамы". 14 ғасырда француз дін қызметкері Жан Буридан Ибн Синаның ықпалымен импульс теориясын дамытты. Ал Альберт, Халберштадт епископы, бұл теорияны одан әрі жетілдірді. Оксфордтың Мертон колледжіндегі Оксфорд есептеушілерінің бірі Николь Оресме геометриялық аргументтерді қолдана отырып, орташа жылдамдық теоремасын ұсынды.

Қайта өрлеу дәуірі

Галилео Галилей телескопты жетілдірді және оның бақылаулары аспанның мінсіз және өзгермейтін заттан жасалған деген идеяны одан әрі күмәнге түсірді. Коперниктің гелиоцентрлік гипотезасын қабылдап, Галилей Жердің басқа планеталар сияқты екеніне сенді. Пиза мұнарасының экспериментінің шындығы күмәнді болғанымен, ол шарларды көлбеу жазықтықта домалатып, сандық эксперименттер жүргізді; оның үдемелі қозғалыс туралы дұрыс теориясы эксперименттер нәтижелерінен туындады. Галилей сондай-ақ, тік түсірілген дененің көлденең түсірілген денемен бірдей уақытта жерге тиетінін анықтады, демек, Жер біркелкі айналса да, гравитация әсерімен заттар жерге түседі. Одан да маңыздысы, ол біркелкі қозғалысты тыныштықтан ажырату мүмкін емес екенін және бұл салыстырмалылық теориясының негізін құрайтынын көрсетті. Коперник астрономиясын қабылдаудан басқа, Галилейдің 17 ғасырда Италиядан тыс ғылымға тікелей әсері аса зор болған жоқ. Оның Италияда және шетелдегі білімді адамдарға әсері айтарлық болса да, университет профессорлары арасында, оның бірнеше шәкірттерінен басқа, ол көзге түспеді. Христиан Гюйгенс Батыс Еуропаның көрнекті математигі және физигі болды. Ол серпімді соқтығысулардың сақталу заңын тұжырымдады, центростремителдік күштердің алғашқы теоремаларын жасады және тербеліс жүйелерінің динамикалық теориясын дамытты. Ол сонымен қатар телескопты жетілдірді, Сатурнның Айсызы Титанды ашты және маятникті сағатты ойлап тапты.

Ньютон механикасы

Исаак Ньютон қозғалыс заңдарын (инерция заңы, жоғарыда айтылған екінші заңы, әрекет және реакция заңы) біріктірген және осы заңдар жер бетіндегі де, аспандағы да нысандарды басқаратынын дәлелдеген алғашқы адам болды. Ньютон және оның көптеген замандастары классикалық механиканың барлық нәрсені, соның ішінде (геометриялық оптика түрінде) жарықты түсіндіре алатынына үміттенген. Ньютонның Ньютон сақиналарына берген түсіндірмесі толқындық принциптерді пайдаланбады және жарық бөлшектері шынымен өзгеріске ұшырап, қоздырылып, резонанс тудырады деп есептеді. Ньютон сонымен қатар классикалық механикадағы математикалық есептеулерді жүзеге асыруға қажетті калькульді дамытты. Дегенмен, Готфрид Лейбниц Ньютоннан тәуелсіз түрде, бүгінге дейін қолданылып келе жатқан туынды және интеграл белгілері бар калькульді жасады. Классикалық механика уақыт бойынша туындыларды белгілеу үшін Ньютонның нүктелік жазуын сақтайды. Леонард Эйлер Ньютонның қозғалыс заңдарын бөлшектерден қатты денелерге екі қосымша заңмен кеңейтті. Күштер әсерімен қатты материалдармен жұмыс істеу деформацияларға алып келеді, оларды өлшеуге болады. Бұл идея Эйлермен (1727 ж.) ұсынылды, ал 1782 жылы Джордано Риккати кейбір материалдардың серпімділігін анықтауға кірісті, одан кейін Томас Янг. Симеон Пуассон зерттеуді үшінші өлшемге дейін Пуассон коэффициентімен кеңейтті. Габриэль Ламе құрылымдардың тұрақтылығын қамтамасыз ету үшін бұл зерттеулерді пайдаланды және Ламе параметрлерін енгізді. Бұл коэффициенттер сызықтық серпімділік теориясын құрды және континуум механикасы саласын ашты.

19 ғасырдың аяғындағы қақтығыстар

Классикалық механика классикалық электродинамика және термодинамика сияқты басқа "классикалық физика" теорияларымен көбінесе үйлесімді болғанымен, XIX ғасырдың соңында заманауи физика ғана шеше алатын кейбір қиындықтар анықталды. Классикалық механика классикалық термодинамикамен біріктірілгенде, энтропия дұрыс анықталмаған шама болатын Гиббс парадоксына соқтырады. Эксперименттер атомдық деңгейге жеткенде, классикалық механика атомдардың энергия деңгейі мен өлшемдері сияқты қарапайым нәрселерді тіпті жуықтап түсіндіре алмады. Осы мәселелерді шешуге жасалған тырабы кванттық механиканың дамуына әкелді. Электромагнетизм және Ньютонның жалқы гравитация заңы үшін алыстағы әрекет әлі де проблема болып қала берді, олар эфир теорияларын пайдалану арқылы уақытша түсіндірілді. Сол сияқты, классикалық электромагнетизм мен классикалық механиканың жылдамдық өзгерулеріне байланысты әртүрлі мінез-құлқы Альберт Эйнштейннің арнайы салыстырмалылық теориясына алып келді.

Қазіргі физика

ХХ ғасырдың басында кванттық механика (1900) және релятивистік механика (1905) ашылды. Бұл жаңалық классикалық механиканың осы екі теорияның жуықтауы ғана екенін көрсетті. Эйнштейн енгізген салыстырмалылық теориясы кейіннен жалпы салыстырмалылықты (1915) қамтиды, ол гравитациялық өзара әрекеттесуді кеңістік-уақыттың қисықтығы арқылы түсіндіреді. Релятивистік механика, қатыстырылған жылдамдықтар жарық жылдамдығынан әлдеқайда төмен болғанда және массалар жұлдыздық объектілерден кіші болғанда, Ньютон механикасы мен Ньютонның гравитациялық заңына қайта оралады. Атомдық және субатомдық құбылыстарды сипаттайтын кванттық механика 1915 жылы кванттық өріс теориясына жаңартылды, ол элементар бөлшектердің стандартты моделіне және электромагнетизм, күшті және әлсіз өзара әрекеттесулер сияқты элементар өзара әрекеттесулерге алып келді. Кванттық механика декогеренция болғанда макроскопиялық масштабта классикалық механиканы қалпына келтіреді. Жалпы салыстырмалылық және кванттық өріс теориясын біріктіріп, кванттық гравитация теориясын құру физикадағы әлі де шешілмеген мәселе болып табылады.