1.1: Вступ

Last updated
Save as PDF

Page ID: 75957

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Класична механіка - математична наука, яка вивчає зміщення тіл під дією сил. Гайлієо Галілея ініціював сучасну еру механіки, використовуючи математику для опису руху тіл. Його Механіка, опублікована в 1623 році, ввела поняття сили і описала постійне прискорене рух об'єктів поблизу поверхні Землі. Шістдесят років потому Ісаак Ньютон сформулював свої закони руху, які він опублікував у 1687 році під назвою Philosopiae Naturalis Principia Mathematica (Математичні принципи природної філософії). У третій книзі, підзаголовок De mundi systemate (Про систему світу), Ньютон вирішив найбільшу наукову проблему свого часу, застосувавши свій Всесвітній закон тяжіння для визначення руху планет. Ньютон встановив математичний підхід до аналізу фізичних явищ, в якому він заявив, що не потрібно вводити кінцеві причини (гіпотези), які не мають експериментальної основи, «Гіпотези не фінго (я не формую гіпотез), але що фізичні моделі будуються з експериментальних спостереження, а потім зроблені загальним шляхом індукції. Це призвело до великого століття застосування принципів ньютонівської механіки до багатьох нових проблем, кульмінацією яких стала робота Леонхарда Ейлера. Ейлер почав систематичне дослідження тривимірного руху жорстких тіл, що призвело до набору динамічних рівнянь, відомих тепер як рівняння руху Ейлера.

Поряд з цим розвитком і уточненням концепції сили та її застосування до опису руху повільно виникло поняття енергії, кульмінацією якого стало відкриття принципу збереження енергії та його безпосереднього застосування до закони термодинаміки. Принципи збереження зараз є центральним у нашому вивченні механіки; збереження імпульсу, енергії та моменту моменту дозволило новому переформулюванню класичної механіки.

У цей період експериментальна методологія та математичні засоби ньютонівської механіки були застосовані до інших нежорстких систем частинок, що призвели до розвитку механіки суцільних середовищ. Теорії механіки рідини, хвильової механіки та електромагнетизму виникли, що призвели до розвитку хвильової теорії світла. Однак було багато незрозумілих аспектів хвильової теорії світла, наприклад, чи поширюється світло через середовище, «ефір»? Серія оптичних експериментів, кульмінацією яких став експеримент Майкельсона-Морлі в 1887 році, виключила гіпотезу про стаціонарне середовище. Було зроблено багато спроб узгодити експериментальні докази з класичною механікою, але виклики були більш фундаментальними. Основи поняття абсолютного часу і абсолютного простору, які Ньютон визначив у Принципії, самі по собі були недостатніми для пояснення безлічі експериментальних спостережень. Альберт Ейнштейн, наполягаючи на фундаментальному переосмисленні понять простору і часу, і відносності руху, в своїй спеціальній теорії відносності (1905 р.) зміг вирішити видимі конфлікти між оптикою і ньютонівською механікою. Зокрема, спеціальна відносність забезпечує необхідні рамки для опису руху швидко рухомих об'єктів (швидкість більше v > 0,1 c).

Друге обмеження дійсності ньютонівської механіки з'явилося за шкалою мікроскопічної довжини. Була розроблена нова теорія, статистична механіка, що пов'язує мікроскопічні властивості окремих атомів і молекул з макроскопічними або об'ємними термодинамічними властивостями матеріалів. Розпочаті в середині дев'ятнадцятого століття нові спостереження в дуже малих масштабах виявили аномалії в прогнозованій поведінці газів (теплоємність). Ставало все більш зрозумілим, що класична механіка недостатньо пояснює широкий спектр нововиявлених явищ на атомній і субатомній шкалах довжини. Істотним було усвідомлення того, що мова класичної механіки навіть не був адекватним для якісного опису певних мікроскопічних явищ. До початку ХХ століття квантова механіка надавала математичний опис мікроскопічних явищ в повній відповідності з нашими емпіричними знаннями про всі нерелятивістські явища.

У ХХ столітті, оскільки експериментальні спостереження привели до більш детального знання великомасштабних властивостей Всесвіту, Універсальний закон гравітації Ньютона вже не точно моделював спостережуваний Всесвіт і потребував заміни загальною відносністю. До кінця ХХ століття і початку двадцять першого століття багато нових спостережень, наприклад прискорене розширення Всесвіту, зажадали впровадження нових понять на кшталт темної енергетики, які можуть привести в черговий раз до фундаментального переосмислення основних понять фізики з метою пояснення спостережуваних явищ.