Ang klasikal na pisika ay ang perpektong isa upang malutas ang lahat ng mga teknikal na problema ng isang likas na katangian ng tao, pati na rin upang ipaliwanag ang mga istraktura ng solar system at ang pag-aalok ng uniberso mga sagot na hindi lubos na nakakatugon sa mga sa lahat ng mga pagdududa sa cosmological.
Ngayon, nais naming bigyan kayo ng kumpletong impormasyon tungkol sa klasikal na pisika upang magkaroon kayo ng mas makatotohanang pag-unawa sa iba't ibang tanong na lumilitaw tungkol sa kahanga-hangang agham na ito, kung paano ito naiiba sa modernong pisika, at kung ano ang mga pangunahing sangay ng pag-aaral, mga aplikasyon, at mga limitasyon nito.
Classical physics
Ang terminong ito ay ginagamit upang tumukoy sa pisika na umiral bago pa man dumating ang quantum mechanics. Kabilang dito ang iba't ibang mahahalagang sangay ng pag-aaral tulad ng termodinamika, optika, akustika, elektromagnetismo, at mekanika, bukod sa iba pa. Ang terminong klasikal na pisika ay madalas ding ginagamit upang tumukoy sa pisika na nabuo bago ang pagsasama-sama ng mga pangunahing konseptwal na pagbabago ng modernong pisika; ayon sa kasaysayan, itinuturing ng maraming may-akda na ang klasikal na pisika ay sumasaklaw sa mga pag-unlad bago ang 1900, habang ang modernong pisika ay binubuo ng mga pagsulong mula 1900 pataas. Ang pagdating ng quantum mechanics at ang teorya ng relatibidad ay nagbigay sa itinuturing na klasikal na pisika ng isang bagong pananaw at nilimitahan ang saklaw nito sa ilang partikular na saklaw ng bilis, laki, at enerhiya.
Mula sa mas teknikal na pananaw, ang klasikal na pisika ay nakabatay sa mga prinsipyong deterministikoKung alam natin ang kasalukuyang estado ng isang pisikal na sistema (posisyon, bilis, mga puwersang kumikilos dito, atbp.), maaari nating tumpak na mahulaan ang kalagayan nito sa hinaharap gamit ang mga batas matematika. Sa balangkas na ito, ang pag-uugali ng mga bagay ay hindi nakasalalay sa pagkakataon, kundi sa mahusay na natukoy na mga sanhi.
Dalawang pangunahing pamamaraan ang maaaring makilala sa loob ng klasikal na pisika:
- Klasikong Newtonian (pre-relativistic) na pisika, batay sa mga batas ni Newton, na angkop para sa paglalarawan ng galaw ng mga katawan sa mababang bilis kumpara sa bilis ng liwanag at sa pang-araw-araw na iskala.
- Relativistic classical physicsIsinasama nito ang mga teorya ng espesyal at pangkalahatang relatibidad, ngunit nananatiling klasiko sa diwa na hindi ito gumagamit ng mga konseptong quantum. Tumpak nitong inilalarawan ang mga penomeno sa bilis na malapit sa liwanag at sa matinding mga larangan ng grabidad, habang pinapanatili pa rin ang isang tuluy-tuloy na pananaw sa espasyo at oras.
Sa buod, kapag pinag-uusapan natin ang klasikal na pisika, tinutukoy natin ang mga teoryang naglalarawan ng mga penomena nang may lubos na katumpakan. mas mababa ang bilis kaysa sa bilis ng liwanag na makroskopikong iskala (mga planeta, makina, pluido, istruktura, atbp.), at nananatiling mahalaga sa inhenyeriya, konstruksyon, akustika, tradisyonal na optika at napakaraming kasalukuyang prosesong teknolohikal.
Modernong pisika
Bago magpatuloy sa pagpapaliwanag ng iba't ibang sangay ng klasikal na pisika, kinakailangang unahin munang iiba ito sa modernong pisika. Lumilitaw ang huli kapag ang mga klasikal na modelo ay hindi sapat upang ipaliwanag ang ilang mga penomena, tulad ng radiation na inilalabas ng mga mainit na katawan, ang photoelectric effect, o ang pag-uugali ng mga atomo at elementarya na partikulo.
Sinimulan ni Max Planck ang kanyang pananaliksik sa "kwantita" ng enerhiya Sa pamamagitan ng pag-aaral kung paano ang enerhiya ay hindi patuloy na inilalabas, ngunit sa mga hiwalay na pakete na tinatawag na quanta, ang mga ideyang ito ay nagbubukas ng daan para sa quantum mechanics, na nagpapaliwanag na ang enerhiya at materya ay nagpapakita ng dalawahang pag-uugali (minsan bilang mga partikulo at minsan bilang mga alon) at may mga limitasyon sa katumpakan kung saan natin masusukat ang ilang pisikal na dami.
Ito ay pagkatapos na ang bagong sangay ng pisika ay ipinanganak na naglalayong pag-aralan ang mga pagkakaiba-iba na umiiral sa mga atom, ang iba't ibang mga pag-uugali na nangyayari sa bagay at ang mga puwersang namamahala sa pareho. Modernong Pisika Pinag-aaralan nito ang mga penomenong nagaganap sa matinding antas: mga bilis na malapit sa liwanag, mga dimensyong mikroskopiko o subatomiko, at napakataas o napakababang enerhiya.
Bukod pa rito, ang mga umuusbong na problema ay hindi malulutas gamit ang mga pamamaraan mula sa klasikal na pisika, kaya kinailangan muling pag-iisip ng klasikal na pananaliksik at mga premisaAng modernong pisika ay gumagamit ng mga konsepto tulad ng probabilidad, kawalang-katiyakan, at kurbadong espasyo-oras upang iakma ang pag-aaral ng kalikasan sa mga bagong iskala na ito.
Bagama't magkaiba ang klasikal at modernong pisika, hindi sila magkahiwalay. Sa loob ng mga saklaw ng bilis at laki na nakatagpo sa pang-araw-araw na buhay, naaangkop pa rin ang mga klasikal na ekwasyon. lubos na tumpak at praktikalAng modernong pisika ay nakalaan para sa mga penomenong iyon kung saan ang mga klasikal na teorya ay hindi na gumagana.
Mga pagkakaiba sa pagitan ng klasikal na pisika at modernong pisika
Para mas maunawaan kung ano ang pinag-aaralan ng klasikal na pisika, makakatulong na ihambing ito sa modernong pisika mula sa ilang mahahalagang aspeto:
- Iskalang pang-aralAng klasikal na pisika ay nakatuon sa mga sistemang makroskopiko, tulad ng mga planeta, pluido, makina, istruktura, o mga projectile. Sa kabilang banda, ang modernong pisika ay nakatuon sa mga atomo, elementaryang partikulo at ang kosmos sa malawakang saklaw, gayundin sa mga penomenong subatomika.
- Saklaw ng bilisInilalarawan ng klasikal na pisika ang mga galaw sa bilis malayong mas mababa sa bilis ng liwanagSinusuri ng modernong pisika, kasama ang relatibidad, ang mga sitwasyon kung saan ang mga bilis ay lumalapit sa bilis ng liwanag at kung saan ang mga epektong relativistic ay makabuluhan.
- Deterministic o probabilistic na katangianAng klasikal na pisika ay pangunahing deterministikoAng kinabukasan ng isang saradong sistema ay nakasalalay lamang sa kasalukuyang estado nito. Ang modernong pisika, lalo na ang quantum physics, ay nagpapakilala ng kawalan ng katiyakan at posibilidad bilang mga pangunahing elemento kapag inilalarawan ang mga estado ng isang sistema.
- Konsepto ng espasyo at orasSa klasikal na pisika, ang espasyo at oras ay isinasaalang-alang malaya at ganapSa modernong pisika, sila ay itinuturing na relatibo at nagkakaisa sa isang entidad na tinatawag na oras ng espasyo, na maaaring kurbahin sa presensya ng masa at enerhiya.
- Uri ng penomenong ipinapaliwanag nitoMatagumpay na tinutugunan ng klasikal na pisika ang mga penomenong tulad ng grabidad sa antas ng tao, kuryente, magnetismo, at pag-uugali ng pluido. Tinatalakay naman ng modernong pisika ang mga pangunahing interaksyon ipinapahayag sa pamamagitan ng mga field at particle (tulad ng mga photon, boson o fermion) at sumisiyasat sa malalim na istruktura ng materya.
- Mga pangunahing aplikasyonAng mga klasikong modelo ang batayan ng inhenyeriya, konstruksyon, mekanika, akustika, at tradisyonal na optikaGinagawang posible ito ng mga modernong modelo elektronika, semiconductor, enerhiyang nuklearpisika ng partikulo at maunlad na kosmolohiya.
Ano ang mga sangay ng klasikal na pisika?
Para sa mas mahusay na pag-unawa sa agham, ang mga pangunahing sangay nito ay inuri sa paglipas ng panahon. Dahil dito, mas epektibo ang pagganap ng sangkatauhan sa mga larangang ito at naipabatid ang mga bagong pagsulong sa mundo. Sa klasikal na pisika, ang pinakamahalagang sangay ay: akustika, mekanika, elektromagnetismo, fluid mechanics, optika, at termodinamika.
Mga Acoustics
Ang tainga ng tao ay dinisenyo upang makaramdam ng mga alon, mga alon na kailangang sumailalim sa isang proseso ng pag-aaral upang maipakita ang kanilang mga wavelength at kakayahan. Ito ang dahilan kung bakit isinilang ang akustika; ang sangay na ito ng klasikal na pisika ang responsable para sa pag-aralan ang lahat ng mga panginginig ng mekanikal na alon na lumalaganap sa pamamagitan ng isang materyal na midyum (hangin, tubig, solido) upang sa wakas ay mabigyang-kahulugan bilang mga tunog.
Ang pag-aaral ng akustika ay kinabibilangan ng musika, mga penomenong heolohikal, mga submarino, at mga penomenong atmospera; sa pangkalahatan, ang sangay na ito ng pisika ay responsable sa pag-aaral ng Mga tunog na inilalabas sa terrestrial fieldkabilang ang infrasound (mga frequency na mas mababa kaysa sa nararanasan ng tainga ng tao) at ultrasound (mas matataas na frequency).
Bukod pa rito, ang akustika ay inilalapat sa iba't ibang larangan tulad ng:
- Inhinyerong akustika para sa disenyo ng mga concert hall, auditorium, at recording studio na may pinakamainam na kalidad ng tunog.
- Akustika ng arkitektura, responsable sa pagkontrol sa pagkalat ng tunog sa mga gusali, paaralan, tahanan at opisina.
- Mga akustika sa ilalim ng tubig, susi sa komunikasyon sa pagitan ng mga submarino, sa paggalugad ng karagatan at sa pag-aaral ng buhay dagat.
- Akustika sa kapaligiran, na tumatalakay sa polusyon sa ingay at regulasyon ng ingay sa mga kapaligirang urban.
Sa kabilang banda, ang psychoacoustics, na responsable sa pag-aaral ng mga pisikal at sikolohikal na epekto na lumilitaw sa mga sistemang biyolohikal kapag nararamdaman ang tunog, sinusuri kung paano binibigyang-kahulugan ng utak ang intensidad, tono, timbre, at lokasyon sa espasyo ng mga pinagmumulan ng tunog.
Mekanika
Ang sangay na ito ng pisika ay tumatalakay sa mga pisikal na katawan kapag ang mga ito ay napapailalim sa mga puwersa ng pag-aalis at, siyempre, sa mga epektong nagmumula sa mga puwersang ito. Inilalarawan nito kung paano at bakit gumagalaw ang mga bagay, o kung bakit sila nananatili sa posisyong hindi gumagalaw.
Ito ay itinuturing na isang subdisiplina na tumatalakay sa pag-aaral ng pisikal na phenomena na nangyayari sa mga bagay na napapailalim sa mga pisikal na puwersa, kapwa mula sa mga particle na nakatigil at mula sa mga gumagalaw, sa kondisyon na ang kanilang bilis ay mas mababa kaysa sa liwanag.
Sa loob ng klasikal na mekanika, maraming larangan ang maaaring makilala:
- Mekanikong estatiko: pinag-aaralan ang mga bagay na nasa ekwilibriyo, ibig sabihin, kapag ang kabuuan ng mga puwersa at sandali ay sero.
- Mekanikong kinematiko: inilalarawan ang galaw nang hindi isinasaalang-alang ang mga sanhi nito, sinusuri ang mga tilapon, bilis, at akselerasyon.
- Dinamikong mekanikaIniuugnay nito ang galaw sa mga puwersang lumilikha nito, pangunahin gamit ang mga batas ni Newton.
Saklaw ng mga aplikasyon nito ang inhinyerong mekanikal, disenyo ng makinarya, at ang paghula ng mga tilapon ng projectile at sasakyanpati na rin ang pagsusuri ng mga istruktura at pag-aaral ng mga paggalaw sa palakasan o sa biomekanika ng katawan ng tao.
Elektromagnetismo
Ang magnetismo at elektrisidad ay parehong nagmumula sa mga puwersang elektromagnetiko; samakatuwid, ang elektromagnetismo ay ang sangay ng klasikal na pisika na naglalarawan sa proseso ng interaksyon sa pagitan ng kuryente at magnetismo sa anyo ng mga larangan at puwersa.
Upang malaman ang malalim na sangay na ito, kinakailangang bigyang-diin na ang magnetikong patlang ay nilikha sa pamamagitan ng isang kasalukuyang kuryente na gumagalaw, at sinabi na ang magnetic field ay may kakayahang magdulot ng kuryente o, kung hindi, ang paggalaw ng karga. Ang ugnayang ito ay pormal na inilalahad sa mga ekwasyon ni Maxwell, na pinag-iisa ang paglalarawan ng mga klasikong penomenong elektrikal, magnetiko, at optikal.
Sa simula, ang elektromagnetismo ay pangunahing itinuturing na pag-aaral ng mga penomenong nagaganap sa paligid ng kidlat at ang radyasyon na nalilikha bilang isang maliwanag na epekto. Sa paglipas ng panahon, naunawaan na ang liwanag ay isang electromagnetic wave na lumalaganap sa kalawakan, kaya nag-uugnay ang elektrisidad, magnetismo, at optika.
Ang magnetismo ay naroroon din sa mga bagay tulad ng mga compass, na ginamit para sa layuning ito noong sinaunang panahon upang gabayan ang mga manlalakbay. Ang mga aparatong ito ay umaasa sa interaksyon sa pagitan mga magnet at ang magnetic field ng Daigdig.
Ang penomeno ng mga partikulo na hindi gumagalaw ay naobserbahan ng mga sinaunang kultura; halimbawa, naobserbahan ng mga Romano na ang pagkuskos ng suklay ay umaakit ng maliliit na partikulo, at napansin ng ibang mga tao ang mga katulad na epekto sa mga materyales tulad ng amber. Sa madaling salita, napagpasyahan na Ang mga kargamento ng parehong tanda ay nagtataboy sa isa't isa, at ang mga kargamento ng magkasalungat na tanda ay umaakit sa isa't isa.Mga pangunahing prinsipyo ng klasikal na electrostatics.
Sa kasalukuyan, ang klasikal na elektromagnetismo ay mahalaga para sa pag-unawa at pagdidisenyo mga sirkitong elektrikal, motor, generator, antenna, sistema ng telekomunikasyon, at mga tradisyunal na elektronikong aparatobukod sa maraming iba pang mga teknolohiya.
Mga mekanika ng likido
Ang sangay na ito ng klasikal na pisika ay pinag-aaralan ang mayroon nang daloy ng mga likido at gas, mula sa sangay na ito na lumalabas ang iba mga subdisiplina tulad ng hydrodynamics at aerodynamics, na ayon sa pagkakabanggit ay sinusuri ang paggalaw ng mga likido at gas.
Ang fluid mechanics ay inilalapat sa mga sumusunod na disiplina: Pagkalkula ng mga puwersang inilapat sa mga eroplano (disenyo ng mga pakpak, fuselage at mga kontrol sa paglipad), pag-aaral ng transportasyon ng langis at gas sa mga pipeline, disenyo ng mga sistema ng bentilasyon at air conditioning, pag-optimize ng mga bomba at turbine, pati na rin sa prediksyon ng mga salik sa klima tulad ng hangin, agos ng karagatan, o pagbuo ng bagyo.
Sinusuri ng sangay na ito ang mga katangian tulad ng presyon, lagkit, densidad, at bilis ng daloyna nagpapahintulot sa pagmomodelo ng lahat ng bagay mula sa daloy ng dugo sa katawan ng tao hanggang sa pag-uugali ng atmospera.
Optika
Ang sangay ng klasikal na pisika na ito ay nakikipag-usap sa pag-aaral ng mga visual phenomena at magaan na mga katangiankabilang ang mga posibleng interaksyon nito sa materya. Sinusuri nito kung paano kumakalat, sumasalamin, nagre-reflect, nagkakalat, at nasisipsip ang liwanag sa iba't ibang media.
Ilarawan ang lahat ng prosesong nagaganap sa nakikita, ultraviolet, at infrared na liwanag. Ito ay dahil ang liwanag ay pangunahing isang electromagnetic wave tulad ng mga X-ray, microwave, at mga radio wave mismo, na may mga karaniwang katangian bagama't may iba't ibang frequency at enerhiya.
Ang klasikal na optika ay malawak na nahahati sa:
- Heometrikong optika, na nag-aaral sa paglaganap ng liwanag bilang mga tuwid na sinag at nagpapaliwanag sa operasyon ng mga lente, salamin, at mga sistema ng pagbuo ng imahe.
- Pisikal na optika, na isinasaalang-alang ang katangiang alon ng liwanag at sinusuri ang mga penomenong tulad ng interference, diffraction, at polarization.
Ang sangay na ito ay mahalaga para sa maraming mga disiplina tulad ng medisina (endoscope, surgical laser, diagnostic imaging system), potograpiya, astronomiya (mga teleskopyo at obserbatoryo), inhinyeriya (mga sensor at optical fiber) at komunikasyon (pagpapadala ng datos sa pamamagitan ng mga fiber optic cable).
Thermodynamics
Magpapatuloy tayo sa termodinamika. Pinag-aaralan ng sangay na ito ng pisika ang mga epekto ng trabaho, enerhiya, at init sa isang partikular na sistema. Ito ay isang sangay ng pisika. medyo bago sa loob ng klasikong setAng termodinamika ay umunlad nang malaki mula sa pag-aaral ng mga makinang de-singaw at ang mga proseso ng pag-convert ng init sa gawaing mekanikal. Sa madaling salita, ang termodinamika ay nakatuon sa pagmamasid, paglalarawan, at pagsukat ng iba't ibang penomena na nangyayari kapag ang enerhiya ay nababago.
Ang maliliit na interaksyon ng gas na nagaganap sa isang mikroskopikong iskala ay pinangalanan o inilalarawan ng teoryang kinetiko ng mga gasIto ay mga terminong magkaugnay upang umakma sa mga pamamaraang naglalarawan sa makroskopikong termodinamika at teoryang kinetiko.
May mga pangunahing batas na namamahala sa termodinamika, kabilang na rito ang tinatawag na unang batas (konserbasyon ng enerhiya sa anyo ng init at trabaho), Ang ikalawang batas (entropy at natural na direksyon ng mga proseso) at batas na sero (Kahulugan at transitibilidad ng temperatura). Ang mga prinsipyong ito ay nagbibigay-daan sa atin upang maunawaan kung bakit ang ilang proseso ay hindi maibabalik, ano ang pinakamataas na teoretikal na kahusayan ng isang heat engine, o kung paano nagbabalanse ang mga sistema kapag nagpapalitan ng init.
Ang klasikal na termodinamika ay inilalapat sa disenyo ng mga combustion engine, thermal power plant, refrigeration at air conditioning systemgayundin sa pag-aaral ng mga pagbabago sa yugto (pagkatunaw, pagsingaw, kondensasyon) at sa maraming prosesong industriyal kung saan pinangangasiwaan ang enerhiya at init.
Bagama't pinalawak ng modernong pisika ang abot-tanaw ng kaalaman, nananatiling isang isang mahalagang kagamitan sa pagsasanay na siyentipiko at teknikal, dahil nagbibigay ito ng mga pangunahing konsepto na nagbibigay-daan sa atin upang maunawaan ang mundo sa antas ng tao at sumusuporta sa karamihan ng mga pang-araw-araw na teknolohiya.
Matapos matutunan ang tungkol sa mga sangay nito, nagiging malinaw na ang klasikal na pisika ay hindi isang lipas na disiplina, kundi ang isang haligi kung saan nakabatay ang inhinyeriya, maraming inilapat na agham, at mga modernong teoryanag-aalok ng isang karaniwang wika upang ilarawan ang materya, enerhiya, at ang kanilang mga interaksyon.