Межі застосування законів класичної механіки

Як ви вже знаєте, кінематика вивчає рух матеріальних тіл без урахування причин, які спричинили цей рух. Динаміка вивчає рух матеріальних тіл, ураховуючи ці причини, тобто вона вивчає зв’язок між взаємодією одного тіла з іншими тілами або полями та змінами стану руху тіла внаслідок цієї взаємодії. Тому динаміка є основним розділом механіки.

Основою класичної, або ньютонівської, механіки є три закони динаміки, які сформулював Ньютон у 1687 р. Ці закони є узагальненням усіх дослідних і теоретичних відомостей, які були отримані до Ньютона і самим Ньютоном.

Протягом двох століть ньютонівська механіка досягла таких великих успіхів, що багато хто в XIX ст. був переконаний в її силі і вважав, що пояснити будь-яке фізичне явище означає звести його до механічного процесу, який підкоряється законам Ньютона. Однак з розвитком науки було виявлено нові факти, які виходили за межі класичної механіки. Ці факти одержали своє пояснення в нових фізичних теоріях - теорії відносності та квантовій механіці. Перегляд А. Ейнштейном ньютонівських уявлень про простір і час дав змогу створити в 1905 р. «механіку великих швидкостей» - релятивістську механіку, що не привела до заперечення ньютонівської механіки. Рівняння релятивістської механіки у випадку швидкостей, дуже малих порівняно зі швидкістю поширення світла, переходять у рівняння ньютонівської механіки. Аналогічно рівняння квантової механіки переходять у рівняння ньютонівської механіки, яка описує рух мас, значно більших від маси атома. Отже, розвиток науки не перекреслив класичну механіку - механіку великих мас і малих швидкостей, а лише засвідчив її обмежене застосування. Тут дуже чітко проявляється співвідношення між відносною й абсолютною істиною, тобто між знанням незавершеним (яке надалі підлягає уточненню, поглибленню) і повним, вичерпним знанням, що досягається лише в нескінченному русі думки. Узгодженість теорій зумовлена єдністю матеріального світу, досліджуваного цими теоріями.

Відомо три типи ситуацій, у яких класична механіка перестає відображати реальність.

Властивості мікросвіту неможливо пояснити в рамках класичної механіки. Зокрема, у поєднанні з термодинамікою вона породжує багато протиріч. Відповідною мовою для опису властивостей атомів і субатомних частинок є квантова механіка. Слід підкреслити, що перехід від класичної до квантової механіки - це не просто заміна рівнянь руху, а повна перебудова всієї сукупності понять (що таке фізична величина, що спостерігається, процес вимірювання тощо).

При швидкостях, близьких до швидкості поширення світла, класична механіка не може описати фізичні явища і процеси, і потрібно переходити до спеціальної теорії відносності (СТВ). Цей перехід має на увазі повний перегляд парадигми, а не просту видозміну рівнянь руху. Якщо ж, нехтуючи новим поглядом на реальність, спробувати все-таки привести рівняння руху до виду F = mа, то доведеться вводити тензор мас, компоненти якого збільшуються зі збільшенням швидкості. Ця конструкція вже довгий час слугує джерелом численних помилок, тому користуватися нею не рекомендується.

Класична механіка стає неефективною, коли розглядають системи з дуже великим числом частинок (або ж великим числом ступенів вільності). У цьому випадку практично доцільно переходити до статистичної фізики.

Принцип відносності - фундаментальний фізичний принцип, згідно з яким усі фізичні процеси в інерціальних системах відліку протікають однаково, незалежно від того, нерухома система чи вона перебуває у стані рівномірного і прямолінійного руху. Звідси випливає, що всі закони природи однакові в усіх інерціальних системах відліку.

Розрізняють принцип відносності Ейнштейна і принцип відносності Галілея, який стверджує те саме, але не для всіх законів природи, а тільки для законів класичної механіки, маючи на увазі можливість застосування перетворень Галілея, залишаючи відкритим питання про можливість застосування принципу відносності до оптики та електродинаміки.

У сучасній літературі принцип відносності в його застосуванні до інерціальних систем відліку (найчастіше за відсутності гравітації або при нехтуванні нею) зазвичай позначають терміном «лоренц-коваріантність» (або «лоренц-інваріантність»).

Релятивістська механіка - розділ фізики, який розглядає закони механіки (закони руху тіл і частинок) при швидкостях, порівняних зі швидкістю поширення світла. При швидкостях значно менших від швидкості поширення світла переходить у класичну (ньютонівську) механіку.

ЗАПИТАННЯ :

1. Що є основою класичної механіки?
2. Які принципи відносності ви знаєте?
3. У чому полягають межі застосування законів механіки?

Блог вчителя фізики Сиротенко Валентини Іванівни. "Природа і фізика"

фізика 6/22

Межі застосування законів класичної механіки

Немає коментарів:

Дописати коментар