Введение

В физике механика – это изучение объектов, их взаимодействия и движения; классическая механика – это механика, ограниченная нерелятивистскими и неквантовыми приближениями. Большинство методов классической механики были разработаны до 1900 года, поэтому термин «классическая механика» относится как к этой исторической эпохе, так и к используемым приближениям. Другие области физики, развивавшиеся в ту же эпоху, использующие те же приближения и также считающиеся «классическими», включают термодинамику (см. историю термодинамики) и электромагнетизм (см. историю электромагнетизма). Ключевым историческим событием в классической механике стала публикация Исааком Ньютоном его законов движения и связанное с этим развитие математического аппарата математического анализа в 1678 году. Аналитические инструменты механики совершенствовались в течение последующих двух столетий, включая развитие гамильтоновой механики и принципов наименьшего действия – концепций, имеющих решающее значение для развития квантовой механики и теории относительности.

Античность

Древнегреческие философы, особенно Аристотель, одними из первых предположили, что природой управляют абстрактные принципы. В трактате «О небесах» Аристотель утверждал, что земные тела стремятся к своему «естественному месту», поднимаясь или опускаясь, и сформулировал как закон верное приближение, согласно которому скорость падения объекта пропорциональна его весу и обратно пропорциональна плотности среды, в которой он падает. Аристотель проводил различие между «естественным движением» и «вынужденным движением» и полагал, что в пустоте, то есть в вакууме, тело, находящееся в покое, останется в покое, а тело в движении продолжит двигаться с той же скоростью. Таким образом, Аристотель первым приблизился к формулировке закона инерции. Однако он считал, что вакуум невозможен, поскольку окружающий воздух немедленно устремится заполнить его. Он также полагал, что объект прекратит двигаться в неестественном направлении, как только приложенные силы будут устранены. Позднее аристотелисты разработали сложное объяснение того, почему стрела продолжает лететь в воздухе после того, как покинула лук, предположив, что стрела создает вакуум позади себя, в который устремляется воздух, толкая ее вперед. На взгляды Аристотеля повлияло учение Платона о совершенстве круговых равномерных движений небес. В результате он представил естественный порядок, в котором движения небес неизбежно совершенны, в отличие от земного мира изменчивых элементов, где все рождается и умирает. Существует и другая традиция, восходящая к древним грекам, в которой математика используется для анализа тел, находящихся в покое или в движении, и ее истоки можно найти уже в трудах некоторых пифагорейцев. Другие примеры этой традиции включают Евклида («О равновесии»), Архимеда («О равновесии плоскостей», «О плавающих телах») и Герона («Механика»). Позднее исламские и византийские ученые развивали эти работы, которые в конечном итоге были вновь открыты или стали доступны на Западе в XII веке и снова в эпоху Возрождения.

Средневековая мысль

Персидский исламский полимат Ибн Сина опубликовал свою теорию движения в «Книге исцеления» (1020). Он утверждал, что при броске снаряду сообщается импульс, который, по его мнению, сохраняется, требуя внешних сил, таких как сопротивление воздуха, для его рассеивания. Ибн Сина проводил различие между «силой» и «склонностью» (называемой «майл»), и утверждал, что объект приобретает склонность, когда он находится в противоречии со своим естественным движением. Таким образом, он заключил, что продолжение движения обусловлено переданной объекту склонностью, и объект будет оставаться в движении, пока эта склонность не исчерпается. Он также утверждал, что снаряд в вакууме не остановится, если на него не будет воздействовать какая-либо сила. Эта концепция движения согласуется с первым законом Ньютона, законом инерции, который гласит, что объект в движении будет оставаться в движении, если на него не действует внешняя сила. В XII веке Хибат Аллах Абу'л Баракат аль-Багдади принял и модифицировал теорию Ибн Сины о движении снарядов. В своем «Китабе аль-Мутабар» Абу'л Баракат утверждал, что движущий придает движущемуся насильственную склонность (майл касри), которая уменьшается по мере удаления движущегося объекта от движущего. По словам Шломо Пайнса, теория движения аль-Багдади была «самым ранним опровержением фундаментального динамического закона Аристотеля [а именно, что постоянная сила производит равномерное движение], [и, следовательно, является] нечетким предвосхищением фундаментального закона классической механики [а именно, что непрерывно приложенная сила производит ускорение]». В XIV веке французский священник Жан Буридан развил теорию импульса, возможно, под влиянием Ибн Сины. Альберт, епископ Гальберштадтский, развил эту теорию дальше. Николь Оресме, один из Оксфордских калькуляторов Мертон-колледжа в Оксфорде, предоставил теорему о средней скорости, используя геометрические аргументы.

Ренессанс

Разработка телескопа Галилео Галилеем и его наблюдения еще больше поколебали представление о том, что небеса состоят из совершенного и неизменного вещества. Приняв гелиоцентрическую гипотезу Коперника, Галилей полагал, что Земля ничем не отличается от других планет. Хотя достоверность знаменитого эксперимента с Пизанской башни вызывает споры, он действительно проводил количественные эксперименты, скатывая шары по наклонной плоскости; его верная теория ускоренного движения, по всей видимости, была выведена из результатов этих экспериментов. Галилей также установил, что тело, брошенное вертикально вниз, достигает земли одновременно с телом, брошенным горизонтально, следовательно, вращающаяся равномерно Земля все равно будет притягивать к себе падающие предметы. Что еще более важно, он утверждал, что равномерное движение неразличимо от состояния покоя, и таким образом заложил основу теории относительности. За исключением признания коперниканской астрономии, непосредственное влияние Галилея на науку в XVII веке за пределами Италии, вероятно, было невелико. Хотя его влияние на образованных людей как в Италии, так и за рубежом было значительным, среди университетских профессоров, за исключением немногих его учеников, оно было пренебрежимо малым. Христиан Гюйгенс был выдающимся математиком и физиком в Западной Европе. Он сформулировал закон сохранения при упругих столкновениях, вывел первые теоремы о центростремительной силе и разработал динамическую теорию колебательных систем. Он также усовершенствовал телескоп, открыл спутник Сатурна Титан и изобрел маятниковые часы.

Ньютоновская механика

Исаак Ньютон был первым, кто объединил три закона движения (закон инерции, его второй закон, упомянутый выше, и закон действия и противодействия) и доказал, что эти законы управляют как земными, так и небесными телами. Ньютон и большинство его современников надеялись, что классическая механика сможет объяснить все сущности, включая (в форме геометрической оптики) свет. В собственном объяснении колец Ньютона, Ньютон избегал волновых принципов и предположил, что световые частицы изменяются или возбуждаются стеклом и приходят в резонанс. Ньютон также разработал математический анализ, необходимый для выполнения математических расчетов, связанных с классической механикой. Однако именно Готфрид Лейбниц, независимо от Ньютона, разработал математический анализ с обозначением производной и интеграла, которые используются и по сей день. Классическая механика сохраняет точечную нотацию Ньютона для производных по времени. Леонард Эйлер расширил законы движения Ньютона с частиц на жесткие тела, добавив два дополнительных закона. Работа с твердыми материалами под воздействием сил приводит к деформациям, которые можно количественно оценить. Эта идея была сформулирована Эйлером (1727), а в 1782 году Джордано Риккати начал определять упругость некоторых материалов, за которым последовал Томас Янг. Симеон Пуассон расширил исследование до третьего измерения, введя коэффициент Пуассона. Габриэль Ламе использовал эти исследования для обеспечения устойчивости конструкций и ввел параметры Ламе. Эти коэффициенты заложили основы линейной теории упругости и положили начало развитию механики сплошных сред.

Конфликты в конце XIX века

Хотя классическая механика в значительной степени совместима с другими теориями "классической физики", такими как классическая электродинамика и термодинамика, в конце XIX века были обнаружены некоторые трудности, которые можно было разрешить только с помощью современной физики. При объединении с классической термодинамикой классическая механика приводит к парадоксу Гиббса, при котором энтропия не является однозначно определенной величиной. По мере того, как эксперименты достигли атомного уровня, классическая механика не смогла объяснить даже приблизительно такие фундаментальные вещи, как энергетические уровни и размеры атомов. Попытки разрешить эти проблемы привели к разработке квантовой механики. Действие на расстоянии оставалось проблемой для электромагнетизма и закона всемирного тяготения Ньютона, которые временно объяснялись посредством эфирных теорий. Подобным образом, различное поведение классического электромагнетизма и классической механики при преобразованиях скоростей привело к специальной теории относительности Альберта Эйнштейна.

Современная физика

В начале XX века были открыты квантовая механика (1900) и релятивистская механика (1905). Это открытие показало, что классическая механика является лишь приближением к этим двум теориям. Теория относительности, предложенная Эйнштейном, позже была расширена общей теорией относительности (1915), которая переформулировала гравитационные взаимодействия в терминах кривизны пространства-времени. Релятивистская механика переходит в ньютоновскую механику и закон всемирного тяготения Ньютона при скоростях, значительно меньших скорости света, и массах, меньших, чем массы звезд. Квантовая механика, описывающая атомные и субатомные явления, в 1915 году была развита в квантовую теорию поля, что привело к созданию Стандартной модели элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий, таких как электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия. Квантовая механика воспроизводит классическую механику в макроскопическом масштабе при наличии декогеренции. Объединение общей теории относительности и квантовой теории поля в теорию квантовой гравитации остается нерешенной проблемой в физике.