1900 жылға дейінгі физика: Классикалық физика негіздері
Classical physics
Классикалық физика: 1900 жылға дейінгі физикалық теориялар, қазіргі заманауи физикаға дейінгі негізгі ұғымдар. Кванттық механика мен салыстырмалылық алдындағы ғылым.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
1900 жылға дейінгі физика түсінігі
Physics as understood pre 1900
Классикалық физика – қазіргі заманғы, толық немесе кеңінен қолданылатын теориялардан бұрынғы физикалық теориялардың жиынтығы. Егер қазіргі күйде қабылданған теория жаңашыл болып есептелсе және оның пайда болуы маңызды парадигмалық өзгеріс болса, онда алдыңғы теориялар немесе ескі парадигмаға негізделген жаңа теориялар көбінесе «классикалық физика» саласына жатады. Осылайша, классикалық теорияның анықтамасы жағдайға байланысты. Классикалық физикалық ұғымдар қазіргі заманғы теориялардың белгілі бір жағдай үшін артық күрделі болып табылуы жиі кездеседі. Көбінесе классикалық физика 1900 жылға дейінгі физиканы білдіреді, ал қазіргі физика 1900 жылдан кейінгі физиканы білдіреді, ол кванттық механика және арақатынастар теориясының элементтерін қамтиды.
Classical physics is a group of physics theories that predate modern, more complete, or more widely applicable theories. If a currently accepted theory is considered to be modern, and its introduction represented a major paradigm shift, then the previous theories, or new theories based on the older paradigm, will often be referred to as belonging to the area of "classical physics". As such, the definition of a classical theory depends on context. Classical physical concepts are often used when modern theories are unnecessarily complex for a particular situation. Most often, classical physics refers to pre 1900 physics, while modern physics refers to post 1900 physics, which incorporates elements of quantum mechanics and relativity.
Қазіргі физикамен салыстыру
Классикалық физикадан айырмашылығы, "қазіргі физика" – кванттық физикаға немесе жалпы алғанда 20-шы және 21-ші ғасырлар физикасына қатысты қолданылатын біршама еркін термин. Қазіргі физика кванттық теорияны және салыстырмалылықты қамтиды, қажет болған жағдайда. Физикалық жүйе, егер классикалық физика заңдары шамамен орындалатын жағдайларға сәйкес келсе, классикалық физика арқылы сипатталуы мүмкін. Іс жүзінде, атомдар мен молекулалардан үлкен денелерден бастап, макроскопиялық және астрономиялық құбылыстарға дейін физикалық объектілерді классикалық механикамен жақсы сипаттауға (түсінуге) болады. Атомдық деңгейден және одан төмен деңгейден бастап классикалық физика заңдары бұзылады және әдетте табиғатты дұрыс сипаттамайды. Электромагниттік өрістер мен күштерді классикалық электродинамика арқылы, кванттық механикалық эффектілердің маңызды болмайтын жеткілікті ұзындық өлшемдері мен өріс күшінде жақсы сипаттауға болады. Кванттық физикадан айырмашылығы, классикалық физика көбінесе толық детерминизм принципімен сипатталады, бірақ кванттық механиканың детерминистік интерпретациялары да бар. Классикалық физиканың тұрғысынан қарағанда, жалпы және арнайы салыстырмалылық теориясының болжамдары классикалық теориялардан айтарлықтай өзгеше, әсіресе уақыттың өтуі, кеңістіктің геометриясы, еркін түсудегі денелердің қозғалысы және жарықтың таралуы тұрғысынан. Дәстүрлі түрде, жарық классикалық механикамен келісу үшін, жарық таралатын тұрақты ортаның – сәуле шығаратын эфирдің бар екендігі болжанып келді, бірақ кейіннен оның жоқ екендігі дәлелденді. Математикалық тұрғыдан алғанда, классикалық физика теңдеулерінде Планк тұрақтысы қолданылмайды. Сәйкесдік принципі мен Эренфест теоремасына сәйкес, жүйе үлкен немесе массивті болған сайын классикалық динамика пайда болады, кейбір ерекшеліктерді қоспағанда, мысалы, супероқшағындық. Сондықтан, күнделікті объектілермен жұмыс істегенде кванттық механиканы ескермеуге болады және классикалық сипаттама жеткілікті. Дегенмен, физикадағы ең қарқынды зерттеу салаларының бірі – классикалық-кванттық сәйкестік. Бұл зерттеу саласы кванттық физика заңдарының классикалық физиканы классикалық деңгейдің үлкен масштабтарының шегінде қалай тудыратынын анықтаумен айналысады.
In contrast to classical physics, "modern physics" is a slightly looser term that may refer to just quantum physics or to 20th and 21st century physics in general. Modern physics includes quantum theory and relativity, when applicable. A physical system can be described by classical physics when it satisfies conditions such that the laws of classical physics are approximately valid. In practice, physical objects ranging from those larger than atoms and molecules, to objects in the macroscopic and astronomical realm, can be well described (understood) with classical mechanics. Beginning at the atomic level and lower, the laws of classical physics break down and generally do not provide a correct description of nature. Electromagnetic fields and forces can be described well by classical electrodynamics at length scales and field strengths large enough that quantum mechanical effects are negligible. Unlike quantum physics, classical physics is generally characterized by the principle of complete determinism, although deterministic interpretations of quantum mechanics do exist. From the point of view of classical physics as being non relativistic physics, the predictions of general and special relativity are significantly different from those of classical theories, particularly concerning the passage of time, the geometry of space, the motion of bodies in free fall, and the propagation of light. Traditionally, light was reconciled with classical mechanics by assuming the existence of a stationary medium through which light propagated, the luminiferous aether, which was later shown not to exist. Mathematically, classical physics equations are those in which Planck's constant does not appear. According to the correspondence principle and Ehrenfest's theorem, as a system becomes larger or more massive the classical dynamics tends to emerge, with some exceptions, such as superfluidity. This is why we can usually ignore quantum mechanics when dealing with everyday objects and the classical description will suffice. However, one of the most vigorous ongoing fields of research in physics is classical quantum correspondence. This field of research is concerned with the discovery of how the laws of quantum physics give rise to classical physics found at the limit of the large scales of the classical level.
Компьютерлік модельдеу және қолмен есептеу, қазіргі және классикалық салыстыру
Бүгінде компьютер классикалық дифференциалдық теңдеуді шешу үшін секунд ішінде миллиондаған арифметикалық операцияларды орындайды, ал Ньютон (дифференциалдық есептеудің негізін қалаушылардың бірі) сол теңдеуді қолмен есептеу арқылы шешу үшін бірнеше сағат жұмсауы мүмкін, тіпті ол осы нақты теңдеуді ашқан болса да. Компьютерлік модельдеу кванттық және релятивистік физика үшін маңызды. Классикалық физика, көптеген бөлшектер үшін кванттық механиканың шегі саналады. Ал классикалық механика релятивистік механикадан туындайды. Мысалы, арнайы релятивистік теорияның көптеген формулаларында (v/c)² түріндегі түзету коэффициенті кездеседі, мұнда v – нысанның жылдамдығы, ал c – жарық жылдамдығы. Нысанның жылдамдығы жарық жылдамдығынан әлдеқайда төмен болған жағдайда, c² және одан жоғары дәрежелі мүшелерді ескермеуге болады. Бұл формулалар Ньютонның кинетикалық энергиясы мен импульсінің стандартты анықтамаларына келтіріледі. Бұл осылай болуы керек, себебі арнайы релятивистік теория төмен жылдамдықтарда Ньютон механикасымен сәйкес келуі тиіс. Компьютерлік модельдеу мүмкіндігінше нақты болуы керек. Классикалық физика, мысалы, суперфлюидтік жағдайдағыдай қателіктерге әкелуі мүмкін. Әлемнің сенімді модельдерін жасау үшін классикалық физиканы қолдануға болмайды. Кванттық теориялар көп уақыт пен компьютерлік ресурстарды қажет ететіні рас, және классикалық физика теңдеулеріне жылдам шешім алу үшін жүгінуге болады, бірақ мұндай шешімнің сенімділігі шамалы болар еді. Компьютерлік модельдеу нысанның мінез-құлқын сипаттауға тырысқанда, релятивистік теорияны немесе кванттық теорияны қолдану керектігін анықтау үшін энергия критерийлерін ғана пайдаланады. Физик, дәлірек модельдерді қолдану және есептеулер жүргізу алдында, классикалық модельді жуықтау үшін пайдаланады. Компьютерлік модельде, егер классикалық физика қолданылмаса, нысанның жылдамдығын ескерудің қажеті жоқ. Төмен энергиялы нысандар кванттық теориямен, ал жоғары энергиялы нысандар релятивистік теориямен қарастырылады.
Today, a computer performs millions of arithmetic operations in seconds to solve a classical differential equation, while Newton (one of the fathers of the differential calculus) would take hours to solve the same equation by manual calculation, even if he were the discoverer of that particular equation. Computer modeling is essential for quantum and relativistic physics. Classical physics is considered the limit of quantum mechanics for a large number of particles. On the other hand, classic mechanics is derived from relativistic mechanics. For example, in many formulations from special relativity, a correction factor (v/c)2 appears, where v is the velocity of the object and c is the speed of light. For velocities much smaller than that of light, one can neglect the terms with c2 and higher that appear. These formulas then reduce to the standard definitions of Newtonian kinetic energy and momentum. This is as it should be, for special relativity must agree with Newtonian mechanics at low velocities. Computer modeling has to be as real as possible. Classical physics would introduce an error as in the superfluidity case. In order to produce reliable models of the world, one can not use classical physics. It is true that quantum theories consume time and computer resources, and the equations of classical physics could be resorted to in order to provide a quick solution, but such a solution would lack reliability. Computer modeling would use only the energy criteria to determine which theory to use: relativity or quantum theory, when attempting to describe the behavior of an object. A physicist would use a classical model to provide an approximation before more exacting models are applied and those calculations proceed. In a computer model, there is no need to use the speed of the object if classical physics is excluded. Low energy objects would be handled by quantum theory and high energy objects by relativity theory.