Физика до 1900 года: Классический подход

Введение

Физика, какой она понималась до 1900 года. Классическая физика – это совокупность физических теорий, предшествующих современным, более полным или более широко применимым теориям. Если общепринятая теория считается современной, и её появление ознаменовало существенный сдвиг парадигмы, то предыдущие теории или новые теории, основанные на более старой парадигме, часто относят к области "классической физики". Таким образом, определение классической теории зависит от контекста. Классические физические концепции часто применяются, когда современные теории излишне сложны для конкретной ситуации. Чаще всего под классической физикой понимают физику, существовавшую до 1900 года, а под современной – физику после 1900 года, включающую элементы квантовой механики и теории относительности.

Сравнение с современной физикой

В отличие от классической физики, «современная физика» — это несколько более широкое понятие, которое может относиться либо только к квантовой физике, либо ко всей физике XX и XXI веков. Современная физика включает в себя квантовую теорию и теорию относительности, когда это уместно. Физическую систему можно описать с помощью классической физики, если она удовлетворяет условиям, при которых законы классической физики приблизительно справедливы. На практике объекты, начиная от тех, что больше атомов и молекул, и заканчивая объектами в макроскопическом и астрономическом масштабе, могут быть хорошо описаны (поняты) с помощью классической механики. Начиная с атомного уровня и ниже, законы классической физики перестают действовать и, как правило, не дают корректного описания природы. Электромагнитные поля и силы хорошо описываются классической электродинамикой при масштабах длин и напряжённостях полей, достаточно больших для того, чтобы квантово-механические эффекты были пренебрежимо малы. В отличие от квантовой физики, классическая физика обычно характеризуется принципом полного детерминизма, хотя существуют и детерминированные интерпретации квантовой механики. С точки зрения классической физики как нерелятивистской физики, предсказания общей и специальной теории относительности существенно отличаются от предсказаний классических теорий, особенно в отношении течения времени, геометрии пространства, движения тел в свободном падении и распространения света. Традиционно свет согласовывался с классической механикой посредством предположения о существовании неподвижной среды, через которую он распространяется – светоносного эфира, существование которого впоследствии было опровергнуто. Математически, уравнения классической физики – это те, в которых не появляется постоянная Планка. Согласно принципу соответствия и теореме Эренфеста, по мере увеличения размера или массы системы классическая динамика стремится проявиться, за исключением некоторых случаев, таких как сверхтекучесть. Именно поэтому мы обычно можем игнорировать квантовую механику при работе с повседневными объектами, и классического описания будет достаточно. Однако, одной из наиболее активно развивающихся областей исследований в физике является классико-квантовая корреспонденция. Эта область исследований посвящена выяснению того, как законы квантовой физики порождают классическую физику, наблюдаемую на больших масштабах классического уровня.

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.

Компьютерное моделирование и ручные расчеты, современное и классическое сравнение

Сегодня компьютер выполняет миллионы арифметических операций за секунды для решения классического дифференциального уравнения, в то время как Ньютону (одному из основоположников дифференциального исчисления) потребовались бы часы на решение того же уравнения вручную, даже если бы он был его автором. Компьютерное моделирование необходимо для квантовой и релятивистской физики. Классическая физика рассматривается как предел квантовой механики при большом числе частиц. С другой стороны, классическая механика выводится из релятивистской механики. Например, во многих формулировках специальной теории относительности появляется поправочный множитель (v/c)², где v – скорость объекта, а c – скорость света. При скоростях, значительно меньших скорости света, можно пренебречь членами, содержащими c² и выше. В этом случае эти формулы сводятся к стандартным определениям ньютоновской кинетической энергии и импульса. Так и должно быть, поскольку специальная теория относительности должна согласовываться с ньютоновской механикой при малых скоростях. Компьютерное моделирование должно быть максимально приближено к реальности. Классическая физика вносит погрешность, как, например, в случае сверхтекучести. Для создания достоверных моделей мира нельзя полагаться на классическую физику. Безусловно, квантовые теории требуют значительных вычислительных ресурсов и времени, и можно прибегнуть к уравнениям классической физики для получения быстрого решения, однако такое решение будет недостаточно надежным. Компьютерное моделирование будет использовать исключительно энергетические критерии для выбора теории – теории относительности или квантовой теории – при описании поведения объекта. Физик может использовать классическую модель для получения предварительного приближения, прежде чем применять более точные модели и проводить соответствующие вычисления. В компьютерной модели нет необходимости учитывать скорость объекта, если классическая физика исключена. Объекты с низкой энергией будут описываться квантовой теорией, а объекты с высокой энергией – теорией относительности.