A klasszikus fizika elnevezés egy retronima, ami alatt a kvantumelmélet és a relativitáselmélet nélküli fizikát értjük szűkebb értelemben, tágabb értelemben a relativitáselméletet is beleértjük. A klasszikus fizika skálája – az a terület, ahol jól működik – az izolált atomok és molekulák szintjétől a makroszkopikus méreteken át a csillagászatig terjed. Szubatomi szinten a kvantumelméletre kell hagyatkoznunk. A kvantummechanikától eltérően a klasszikus fizika determinisztikus elmélet.

Klasszikus témakörök

A klasszikus fizika részterületei többek között:

• Klasszikus mechanika
  • Newton-törvények
  • A klasszikus mechanika elvei, azaz a Lagrange- és Hamilton-formalizmus
• Klasszikus elektrodinamika (Maxwell-egyenletek)
• Klasszikus termodinamika
• Speciális relativitáselmélet és általános relativitáselmélet
• Klasszikus káoszelmélet

Matematikai értelemben a klasszikus fizika egyenleteiben általában a Planck-állandó nem jelenik meg.

A klasszikus fizika korlátai

A 19. században a természettudománnyal kapcsolatban az a felfogás uralkodott, hogy a fizikai világkép teljes, csak pontosításra szorul. A 19. század végén és a 20. század elején azonban több kísérleti eredmény is született, mely a klasszikus elméletekkel nem volt magyarázható. Nyilvánvalóvá vált, hogy a meglévő elméletek nem képesek megmagyarázni többek között az alábbi tapasztalatokat:^[1][2]

Feketetest-sugárzás

Bővebben: Feketetest-sugárzás

A klasszikus Rayleigh–Jeans-törvénnyel magyarázott feketetest-sugárzás hosszúhullámú (azaz kisfrekvenciás) határesetben jól egyezik a tapasztalatokkal. A modell az ekvipartíció tétele alapján egyenlően osztja el az energiát a rendszer szabadsági fokai között. A problémát az jelenti, hogy a rövidhullámú (ultraibolya sugárzásnak megfelelő) rezgéseknél a hullámhossz csökkenésével a kisugárzott teljesítmény minden határon túl nőne. Ezt a jelenséget nevezzük ultraibolya katasztrófának.^[3]

Rutherford-szóráskísérlet

Bővebben: Rutherford-kísérlet

A klasszikus, Thomson-féle, úgynevezett szilvapuding-atommodellben az ellentétes töltések keveredve találhatók.^[4] Egy ilyen atomra ${\displaystyle \alpha }$-részecskenyalábot vetítve azt várnánk, hogy a nyaláb töltött részecskéi nem térülnek el lényegesen. Ellenben a tapasztalat, melyet Ernest Rutherford figyelt meg, azt mutatja, hogy az ${\displaystyle \alpha }$-részecskék jó része nem térül el, viszont egy kis hányaduk igen éles szögben visszaszóródik. Ebből a megfigyelésből származik a Rutherford-atommodellben feltételezett kis méretű, koncentrált, erős pozitív töltésű atommag koncepciója.^[5][6]

Fényelektromos jelenség

Bővebben: Fényelektromos jelenség

A klasszikus fizikai képben a fény hullámtermészetű. Ezzel az állna összhangban, ha bármilyen kis frekvenciájú fény képes lenne az anyagban töltéshordozók keltésére. A tapasztalat szerint viszont van egy küszöbfrekvencia, mely alatt a jelenség nem jön létre. Fémekben ez úgy magyarázható, hogy az elektron kilépési munkáját az elnyelt fénynek kell fedeznie, a fény pedig olyan részecskeként vesz részt a kölcsönhatásban, melynek energiája a frekvenciától függ. Ez a részecske a foton, mely az elektromágneses sugárzás kvantuma.^[7] A tapasztalatok magyarázatában mérföldkőnek számít Einstein elképzelése a fényelektromos jelenségről, melyért 1921-ben elnyerte a Fizikai Nobel-díjat.^[8]

Compton-szórás

Bővebben: Compton-szórás

Az elektromágneses sugárzás és az anyag más kölcsönhatásaira is kísérleti eredmények mutattak. Azt a jelenséget, hogy a fény rugalmatlanul szóródik az anyagban található kötött elektronokon, Compton-szórásnak nevezzük,^[9] mely leírásáért Arthur Holly Compton 1927-ben nyerte el a Fizikai Nobel-díjat.^[10] A Compton-jelenség rámutat arra, hogy a fény egyes kölcsönhatásaiban részecskeként viselkedik, leírása nem lehetséges pusztán hullámformalizmussal.

Az elektron kettős természete

Lásd még: Hullám-részecske kettősség és Komplementaritási elv

Miközben egyes kísérletek a klasszikusan hullámtermészetű elektromágneses sugárzás részecske-természetét mutatták ki, megjelentek olyan eredmények, melyek a klasszikusan részecskének tekintett elektron hullámtermészetére utaltak. Ilyen például a kétrés-kísérlet,^[11][12] mely során fotonok vagy elektronok nyalábját vetítjük két résre, a rések mögött pedig egy ernyőn figyeljük az interferenciaképet. A kísérlet mind a fény, mind az elektronnyaláb hullámtermészetére utaló eredményt ad. Ez a felismerés alapozta meg a fizikai komplementaritás elvének kialakulását.^[13][14][15]

Szilárdtestek hőkapacitása

Lásd még: hőkapacitás, fonon és Debye-modell

A klasszikus fizikában a hőkapacitást a Dulong–Petit-szabály alapján származtathatjuk az alapján, hogy az ekvipartíciónak megfelelően az energia a rendszer szabadságfokai között egyenlően oszlik el. A modell bizonyos esetekben (magas hőmérsékleten) kellő pontossággal megadja a szilárdtestek hőkapacitását, azonban nem szolgáltat magyarázatot arról a tapasztalatról, hogy a hőkapacitás alacsony hőmérsékleten hőmérsékletfüggő, 0 K-en pedig eltűnik. A pontosabb leírást az Einstein-modell^[16] és a Debye-modell^[17] adja, melyek a klasszikus modellel ellentétben felteszik, hogy a szilárdtest rezgési állapotai csak adott kvantumokban változhatnak.

Jegyzetek