Klassisk fysik – definition, principer och begränsningar
Klassisk fysik: definition, grundprinciper och begränsningar jämfört med relativitet och kvantmekanik — historik och när teorin inte längre gäller.
Klassisk fysik är den fysik som utvecklades före 1900-talet och som beskriver många av de fysiska fenomen vi möter i vardagen. Denna del av fysiken studerar bland annat rörelse, ljus, gravitation och elektricitet. I praktiken bygger klassisk fysik på antaganden om kontinuerliga storheter, determinism (att framtida tillstånd kan bestämmas av nuvarande tillstånd) och att tiden är samma för alla observatörer i en given ram.
I modern forskning används ofta idéer som går bortom den klassiska bilden, eftersom fysikerna under 1900‑talet upptäckte två mer allmängiltiga teorier: relativitetsteorin och kvantmekaniken. Dessa teorier förklarar fenomen som den klassiska fysiken inte klarar av och kompletterar den genom att visa när och varför klassiska approximationer gäller.
Grundläggande principer
- Newtonsk mekanik: rörelser och krafter beskrivs av Newtons tre lagar; viktiga begrepp är massa, acceleration och kraft.
- Bevarandeprinciper: energi, rörelsemängd och vinkelmoment bevaras i slutna system—detta är centralt för att lösa många problem.
- Elektromagnetism: Maxwells ekvationer (och deras klassiska tillämpningar) beskriver elektriska och magnetiska fält, ljus som elektromagnetiska vågor och hur laddningar/bromsningar påverkar varandra.
- Termodynamik och statistisk fysik: lagar om energi, värme och entropi styr beteendet hos stora samlingar av partiklar och är grunden för värmemaskiner och kemiska processer.
- Vågoptik och geometrisk optik: ljus kan behandlas som vågor eller strålar beroende på situationen; interferens, diffraktion och brytning är typiska fenomen.
Viktiga lagar och begrepp
- Newtons tre rörelselagar och gravitationslag: används för att beskriva allt från fallande äpplen till planetbanor.
- Maxwells ekvationer: förenar elektricitet och magnetism och leder till förståelsen av radiovågor, ljus och elektriska kretsar.
- Termodynamikens första och andra huvudsatser: bevarande av energi och riktningen för spontana processer (entropiökning).
- Galileisk relativitet: de mekaniska lagarna är desamma i alla inertialsystem (ett föregångsbegrepp till Einsteins relativitet).
- Klassisk kontinuitet: materia och fält antas vara kontinuerliga snarare än kvantiserade.
Tillämpningar och exempel
- Ingenjörsvetenskap: konstruktion av byggnader, broar, fordon och flygplan bygger i stor utsträckning på klassisk mekanik och materiallära.
- Dagliga fenomener: fall, friktion, vågor i vatten, ljud och vanliga ljuseffekter kan förklaras klassiskt.
- Elektriska system: hushållsel, radiosändning, elektromotorer och kretsanalys använder klassisk elektrodynamik.
- Astronomi (i många fall): planetbanor och satellitmekanik kan ofta behandlas med Newtons gravitation förutsatt att gravitationseffekter är svaga och hastigheter låga jämfört med ljuset.
Begränsningar och övergång till modern fysik
Den klassiska fysiken fungerar bra för makroskopiska system där hastigheter är låga jämfört med ljusets hastighet och där kvanteffekter är försumbara. Den visar sig däremot otillräcklig i några viktiga situationer:
- Mycket små avstånd och energier: för system i atomstorlek och mindre krävs kvantmekaniken för att beskriva diskreta energinivåer, vågfunktioner och sannolikhetslagar (t.ex. elektroner i atomer — atomer).
- Mycket höga hastigheter: när objekt rör sig nära ljusets hastighet blir relativistiska effekter viktiga och klassiska formler för tid, längd och massa måste ersättas av relativitetsteorin.
- Starka gravitationsfält: nära mycket massiva objekt (t.ex. svarta hål) krävs allmän relativitet för att beskriva rumtidens krökning.
- Diskontinuiteter och kvantisering: vissa fenomen uppvisar diskreta steg eller sannolikhetsbeteenden som klassisk kontinuitet inte förklarar.
Trots dessa begränsningar gäller klassiska lagar som en mycket god approximation i många praktiska sammanhang. Genom Bohrs och andra forskares arbete visade sig dessutom att kvant- och relativitetsteorierna i sin respektive gränsfall återger de klassiska resultaten (korrespondensprincipen).
Kort historik
Den klassiska fysikens stora genombrott kom under 1600‑ till 1800‑talen genom arbeten av forskare som Galileo Galilei, Isaac Newton och senare James Clerk Maxwell och Ludwig Boltzmann. I början av 1900‑talet ändrades bilden när Albert Einstein formulerade sin relativitet och forskare som Neils Bohr, Werner Heisenberg och Erwin Schrödinger utvecklade kvantmekaniken. Dessa nya teorier utökade vår förståelse och visade både klassiska fysikens styrkor och dess gränser.
Sammanfattningsvis är klassisk fysik en grundläggande och praktiskt användbar samling teorier som beskriver många makroskopiska fenomen. Den fungerar som bas för teknik och vardagsvetenskap, medan relativitetsteori och kvantmekanik tar vid där klassisk fysik inte längre räcker till.
Historia
Sir Isaac Newton, och många forskare före honom, bidrog till att skapa den klassiska fysiken. De observerade att vissa saker i naturen, t.ex. när ett äpple faller, sker på samma sätt varje gång. Newton utarbetade ekvationer som gjorde det möjligt för honom att förutsäga sådana händelser. Han kallade dessa ekvationer för fysikens lagar.
Newtons fysikaliska lagar har testats genom experiment och genom att använda dem i arbetet. Ibland kan saker och ting (t.ex. kraftiga vindar) förvränga experimentets resultat en aning, och resultaten blir då lite fel. Men när människor anstränger sig för att bli av med dessa extra faktorer kommer resultaten av experimenten nästan alltid närmare vad Newtons lagar förutsäger.
Områden inom klassisk fysik
- Mekanik (hur spakar hjälper till att lyfta saker, hur bilar fortsätter att röra sig när motorn är avstängd osv.)
- Termodynamik (varför vi upplever vissa saker som varma och andra saker som kalla, varför det tar längre tid att värma vatten än luft osv.)
- Elektricitet (varför ett föremål som gnuggas mot ett annat kan ge upphov till en statisk laddning, varför elektroner rör sig i ledningar, varför blixtar kan sprida sig över enorma avstånd, osv.)
- Magnetism (varför kompassnålar pekar mot nord- och sydpolen, varför spikar som lindas runt och runt med isolerad tråd fungerar som magneter när en likström går genom tråden osv.)
- Optik (varför solljus som passerar genom regndroppar kan ge en regnbåge, varför prismor böjer ljuset och ger ett spektrum som regnbågen, varför linser kan förstora saker, hur man tillverkar kraftfulla teleskop med eller utan linser osv.)
| Fysikens grenar | |
| Huvudgrupper |
|
| Metoder |
|
| Klassisk |
|
| Modernt |
|
| Tvärvetenskaplig |
|
| Relaterad |
|
Frågor och svar
F: Vad är klassisk fysik?
S: Klassisk fysik är den gren av fysiken som utvecklades före 1900-talet. Den studerar saker som rörelse, ljus, gravitation och elektricitet.
F: Hur förändrades den klassiska fysiken under 1900-talet?
S: På 1900-talet upptäckte fysiker två bättre sätt att beskriva naturen - relativitetsteorin och kvantmekaniken - vilket gjorde den klassiska fysiken mindre användbar när man studerade mycket små eller snabbt rörliga objekt.
F: Vilka arbetade med att utveckla nya teorier under 1900-talet?
S: Albert Einstein utarbetade sin relativitetsteori och personer som Neils Bohr, Werner Heisenberg och Erwin Schrِdinger skapade kvantmekaniken.
F: När fungerar inte den klassiska fysiken?
S: Klassisk fysik fungerar inte när man studerar mycket små objekt (ungefär lika stora som atomer eller mindre) eller när man studerar objekt som rör sig mycket snabbt (runt ljusets hastighet).
F: Vilka är några exempel på ämnen som studeras av den klassiska fysiken?
S: Exempel på ämnen som studeras inom den klassiska fysiken är rörelse, ljus, gravitation och elektricitet.
F: Vilka två teorier ersatte den klassiska fysiken under 1900-talet?
S: De två teorier som ersatte den klassiska fysiken på 1900-talet var relativitetsteorin och kvantmekaniken.
Sök