Klassisk fysik: definition, grundlæggende principper og begrænsninger
Klassisk fysik: klar definition, centrale principper og begrænsninger – hvorfor relativitet og kvantemekanik udfordrede de klassiske modeller.
Klassisk fysik er den fysik, som blev udviklet før det 20. århundrede og danner grundlaget for mange dagligdags og tekniske beskrivelser af naturen. Denne del af fysikken undersøger og beskriver blandt andet bevægelse, lys, tyngdekraft og elektricitet. Klassisk fysik bygger i høj grad på målelige størrelser, kontinuerlige felter og differentialligninger, og den behandler systemer ved makroskopiske skalaer, hvor de enkelte atomer ikke behøver at tages eksplicit i betragtning.
Grundlæggende principper
- Newtons love og mekanik: Klassisk mekanik beskriver kræfter og bevægelse gennem Newtons tre love, som giver en deterministisk sammenhæng mellem kræfter og partiklens bevægelse.
- Bevarelseslove: Energi, impuls og drejebevægelsesmængde er ofte bevarede størrelser i lukkede systemer — dette er centralt for beregninger og forudsigelser.
- Elektromagnetisme: Maxwell-ligningerne beskriver elektriske og magnetiske felter og deres vekselvirkninger med ladninger og strømme, hvilket forklarer lys som en elektromagnetisk bølge.
- Termodynamik og statistisk fysik: Love for varme, temperatur og entropi styrer store samlinger af partikler og er grundlaget for varmelære og motorer.
- Bølgeteori og optik: Klassisk bølgelære beskriver bølgefænomener som interferens og diffraktion i mange sammenhænge, herunder synligt lys.
- Matematiske metoder: Differentialligninger, vektoranalyse og principper som variabelregning og handlingsprincippet anvendes til at formulere og løse fysiske problemer.
Hovedområder i klassisk fysik
- Mekanik: Studiet af partikler og stive legemers bevægelse under påvirkning af kræfter — anvendt i alt fra projektilbaner til maskinbygning.
- Tyngdekraft: Newtons gravitationsteori forklarer bevægelsen af planeter og tidevand på jordisk skala (tyngdekraft).
- Elektromagnetisme: Beskriver elektricitet og magnetisme samt lysets bølgeegenskaber (lys).
- Termodynamik: Undersøger energiudveksling, varme og ligevægtstilstande — grundlæggende for teknologi som motorer og kølesystemer.
- Optik og akustik: Forklarer lys og lyds udbredelse, refleksion, brydning og interferens.
Anvendelser
Klassisk fysik er rig på anvendelser og er fremherskende i ingeniørvidenskab, mekanik, bygningskonstruktion, astronomi (på store men ikke ekstreme skalaer), elektronik på makroskopiske niveauer og i dagligdags teknologi. Mange praktiske beregninger — fra bygningers bæreevne til bilers bremselængde — bruger klassiske modeller, fordi de giver tilstrækkeligt præcise resultater i de relevante størrelsesordener.
Begrænsninger og overgangen til moderne fysik
Selvom klassisk fysik er særdeles nyttig, viser den sine begrænsninger i to hovedområder:
- Meget små skalaer: Når man når ned i størrelsesordenen for atomer og mindre, forklarer klassiske modeller ikke eksperimentelle observationer som atomers stabilitet, diskrete energiniveauer eller fenomener som fotoelektrisk effekt. Til disse fænomener udviklede forskere i begyndelsen af det 20. århundrede kvantemekanikken, som har et helt andet sæt begreber (f.eks. sandsynlighedsbeskrivelser og kvantetilstande).
- Høje hastigheder og stærk tyngdekraft: Når objekter bevæger sig med hastigheder tæt på lysets hastighed, eller når tyngdefelterne er meget stærke (f.eks. nær sorte huller), er Newtons forestillinger om absolut tid og rum utilstrækkelige. Til disse fænomener formulerede Albert Einstein sin relativitetsteori, som erstatter klassiske forestillinger om tid og rum med en sammenhængende fire-dimensionel beskrivelse.
Som konsekvens blev klassisk fysik udvidet og i visse grænsetilfælde erstattet af to nye teorier i det 20. århundrede: relativitetsteorien og kvantemekanikken. Vigtige bidragsydere til kvantemekanikken omfatter blandt andre Neils Bohr, Werner Heisenberg og Erwin Schrödinger, som introducerede nye principper og matematiske formuleringer for mikroskopiske systemer.
Når klassisk fysik stadig er tilstrækkelig
I praksis anvendes klassiske modeller fortsat, når de giver gode tilnærmelser: for dagligdags størrelser, de fleste tekniske anvendelser og mange astronomiske beregninger, hvor hastigheder er lave og kvanteeffekter kan ignoreres. Klassisk fysik fungerer som et effektivt og intuitivt værktøj — og som en vigtig introduktion til de mere komplekse teorier, der beskriver naturen på ekstreme skalaer.
Historie
Sir Isaac Newton og mange andre videnskabsmænd før ham var med til at skabe den klassiske fysik. De observerede, at nogle ting i naturen, som f.eks. et æble, der falder ned, sker på samme måde hver gang. Newton opstillede ligninger, som gjorde det muligt at forudsige sådanne hændelser. Han kaldte disse ligninger for fysikkens love.
Newtons fysiklove er blevet testet ved eksperimenter og ved at bruge dem i forbindelse med arbejde. Nogle gange kan ting (f.eks. kraftige vinde) forvirre eksperimentet en smule, og resultaterne bliver lidt forkerte. Men når folk gør en indsats for at fjerne disse ekstra faktorer, kommer resultaterne af eksperimenterne næsten altid tættere på det, som Newtons love forudsiger.
Områder inden for klassisk fysik
- Mekanik (hvordan håndtag hjælper med at løfte ting, hvordan biler fortsætter med at køre, når motoren er slukket osv.)
- Termodynamik (hvorfor vi oplever nogle ting som varme og andre ting som kolde, hvorfor det tager længere tid at opvarme vand end luft osv.)
- Elektricitet (hvorfor gnidning af en genstand mod en anden kan give en statisk ladning, hvorfor elektroner bevæger sig gennem ledninger, hvorfor lyn kan dække enorme afstande osv.)
- Magnetisme (hvorfor kompasnåle peger mod nord- og sydpolerne, hvorfor søm, der er viklet rundt om og rundt om med isoleret tråd, virker som magneter, når der går jævnstrøm gennem tråden osv.)
- Optik (hvorfor sollys, der passerer gennem regndråber, kan give en regnbue, hvorfor prismer bøjer lyset og skaber et spektrum som regnbuen, hvorfor linser kan forstørre ting, hvordan man laver kraftige teleskoper med eller uden linser osv.)
| Fysikkens grene | |
| Afdelinger |
|
| Tilgange |
|
| Klassisk |
|
| Moderne |
|
| Tværfaglig |
|
| Relateret |
|
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er klassisk fysik?
A: Klassisk fysik er den gren af fysikken, der blev udviklet før det 20. århundrede. Den studerer ting som bevægelse, lys, tyngdekraft og elektricitet.
Spørgsmål: Hvordan ændrede den klassiske fysik sig i det 20. århundrede?
A: I det 20. århundrede opdagede fysikerne to bedre måder at beskrive naturen på - relativitetsteorien og kvantemekanikken - hvilket gjorde den klassiske fysik mindre anvendelig, når man studerede meget små eller hurtigt bevægelige objekter.
Spørgsmål: Hvem arbejdede på at udvikle nye teorier i det 20. århundrede?
A: Albert Einstein udarbejdede sin relativitetsteori, og folk som Neils Bohr, Werner Heisenberg og Erwin Schrِdinger skabte kvantemekanikken.
Spørgsmål: Hvornår fungerer den klassiske fysik ikke?
A: Klassisk fysik fungerer ikke, når man studerer meget små objekter (omkring størrelsen af atomer eller mindre) eller når man studerer objekter, der bevæger sig meget hurtigt (omkring lysets hastighed).
Spørgsmål: Hvad er nogle eksempler på emner, som den klassiske fysik undersøger?
Svar: Blandt de emner, der studeres i den klassiske fysik, kan nævnes bevægelse, lys, tyngdekraft og elektricitet.
Spørgsmål: Hvilke to teorier erstattede den klassiske fysik i det tyvende århundrede?
A: De to teorier, der erstattede den klassiske fysik i det tyvende århundrede, var relativitetsteorien og kvantemekanikken.
Søge