Klassik fizika — fizikaning shunday davriki, unda kvant nazariyasi va nisbiylik nazariyasi hali paydo bo‘lmagan edi. Klassik fizikaning asoslari Uyg‘onish davrida bir qator olimlar tomonidan yaratilgan. Ular orasida, ayniqsa, Nyuton — klassik mexanikaning asoschisi sifatida alohida ajralib turadi.
Klassik fizika quyidagi tamoyillarga asoslanadi:
- sabablar oqibatlarni bir ma’noda belgilaydi (determinizm);
- makon va vaqt mutlaq hisoblanadi. Bu ularning makonni to‘ldiruvchi materiya va uning harakatiga hech qanday bog‘liq emasligini anglatadi. Shuningdek, makon va vaqt oraliqlarini o‘lchash natijalari tanlangan sanoq sistemasiga, jumladan, o‘lchanayotgan jismning kuzatuvchiga nisbatan harakat tezligiga bog‘liq bo‘lmaydi;
- fizik tizimni tavsiflovchi har qanday kattalikning o‘zgarishi uzluksiz bo‘ladi. Ya’ni fizik tizim bir muayyan holatdan boshqasiga o‘tayotganda cheksiz ko‘p oraliq holatlardan o‘tadi. Ushbu oraliq holatlarda tizimning barcha fizik parametrlari boshlang‘ich va oxirgi holatlardagi qiymatlar orasidagi qiymatlarni qabul qiladi.
Klassik fizikaning asosiy nazariyalari quyidagilardir:
Dastlab Galiley va Nyuton, keyinchalik Maksvell va Boltsman faoliyati natijasida klassik fizika doirasida fizik olamning tuzilishi haqidagi tasavvurlar shakllandi. XIX asrning ikkinchi yarmida bu tasavvurlar nihoyatda aniq va to‘liq deb hisoblangan.
XIX—XX asrlar chegarasida klassik fizikaning inqirozi
XX asr boshlariga kelib, klassik fizika doirasida javob topib bo‘lmaydigan bir qator savollar to‘planib qoldi.
- Elektromagnit nurlanish spektrlari. Klassik nazariya (qarang: Reley — Jins qonuni) absolyut qora jismning nurlanish spektrlarini qoniqarli darajada tushuntirib bera olmasdi (qarang: Ultrabinafsha falokati) va tajribada kuzatilgan natijalardan sezilarli darajada farq qilardi. Chiziqli spektrlar, ya’ni gazsimon moddalarning yorug‘lik chiqarish va yutish spektrlari ham klassik fizika doirasida izohlanmas edi.
- Quyosh va yulduzlar energiyasining manbai. Klassik fizika taklif eta olgan yulduzlar energiyasining kelib chiqishi haqidagi farazlar juda kichik energiya miqdorlarini berardi. Bu qiymatlar haqiqatga mutlaqo mos kelmasdi.
- Radioaktivlik hodisasi 1896-yilda A. Bekkerel tomonidan kashf etilib, XIX asr oxirida esa Mariya va Pyer Kyuri tomonidan o‘rganilgan. Bu hodisa moddaning atomlarida ularning o‘lchami va massasiga nisbatan ulkan energiya mavjudligini ko‘rsatgan. Bu energiyaning kelib chiqishini klassik fizika doirasida tushuntirib bo‘lmas edi.
- Qizil chegara (tashqi fotoeffekt) — muayyan katod materiali uchun elektromagnit nurlanishning eng katta to‘lqin uzunligi bo‘lib, undan uzun to‘lqinlarda nurlanish jadalligi qanday bo‘lishidan qat’i nazar, fotoeffekt kuzatilmaydi. Bu hodisa ham klassik fizika doirasida izohlanmas edi.
- Tajribaviy kuzatuvlar elektronning — XIX asr oxirida kashf etilgan zarrachaning — zaryadining massasiga nisbati doimiy emasligini, balki uning harakat tezligiga bog‘liqligini ko‘rsatdi. Bu esa klassik fizikaning nazariy qoidalariga zid edi.
- XIX asr oxiriga kelib, mutlaq makon haqidagi tushuncha tobora ko‘proq shubha uyg‘ota boshladi. Bu tushunchaga ko‘ra, mutlaq makonni bevosita kuzatib bo‘lmaydi. Natijada ziddiyat yuzaga kelgan: fizika ta’rifiga ko‘ra, hech qanday tajribada aniqlab bo‘lmaydigan narsalar fizikada mavjud deb hisoblanmaydi. Biroq klassik fizikaning barcha nazariy tuzilmalarida mutlaq makon mavjudligi ochiq yoki yashirin tarzda nazarda tutilgan. Bir muddat ushbu ziddiyatni efir deb ataluvchi, mutlaq makonni to‘ldiradigan va unda, faraz qilinishicha, elektromagnit to‘lqinlar tarqaladigan gipotetik moddiy muhitni aniqlash orqali hal qilish mumkin, degan umid saqlanib qoldi. Biroq Maykelson tajribasi 1887-yilda aynan shu maqsadda o‘tkazilgan bo‘lsa-da, efirning mavjudligini aniqlay olmadi.
Ushbu va boshqa kuzatilgan hodisalarning klassik nazariyalarga zid kelishi ularning asosidagi fundamental tamoyillarning umumiy amal qilishiga, jumladan, massa, energiya va impulsning saqlanish qonunlariga shubha tug‘dirdi. Bunday vaziyatni mashhur fransuz matematigi va fizigi Anri Puankare «fizika inqirozi» deb atadi.
Xo‘sh, bu xarobalar orasida nimalar butunligicha qoldi?… Tamoyillarning bu qadar umumiy yemirilishi sharoitida matematik fizika qanday yo‘l tutishi kerak?
«Yangi fizika»ning shakllanishi
Kvant nazariyasi
1900-yilda nemis fizigi Maks Plank tomonidan taklif etilgan nurlanishning kvant nazariyasiga ko‘ra, yorug‘lik klassik nazariyada taxmin qilinganidek uzluksiz emas, balki diskret ravishda — Plank kvantlar deb atagan alohida porsiyalar holida chiqariladi. Bu nazariya paradoksal ko‘rinishiga qaramay (unda yorug‘lik nurlanishi bir vaqtning o‘zida ham uzluksiz to‘lqin jarayoni, ham zarrachalar — kvantlar oqimi sifatida qaraladi), u qattiq va suyuq jismlarning issiqlik nurlanishi uzluksiz spektrining shaklini yaxshi tushuntirib bergan.
1905-yilda Albert Eynshteyn yorug‘likning kvant tabiatidan kelib chiqib, fotoeffekt hodisasiga matematik izoh berdi. Shu orqali qizil chegara (fotoeffekt) ham tushuntirildi. (Eynshteynga 1921-yilda Nobel mukofoti nisbiylik nazariyasi uchun emas, aynan shu ish uchun berilgan.)
1926-yilda Nils Bor tomonidan taklif etilgan atomning kvant nazariyasiga ko‘ra, elektronlar, ya’ni elektron qobig‘ida (atomda) mavjud bo‘lgan zarralar, faqat sanoqli to‘plamdagi aniq parametrlarga ega diskret holatlarda (orbitalarda) bo‘lishi mumkin. Bu parametrlar kvant sonlari deb ataladi. Elektronlar bir orbitadan boshqasiga yorug‘lik kvantlarini yutish yoki chiqarish orqali uzluksiz emas, balki oraliq holatlarsiz, sakrash tarzida o‘tadi (qarang: Bor postulatlari). Shunday qilib, kvant tamoyili yorug‘likdan tashqari elektron harakatiga ham tatbiq etildi. Bu nazariya gazlarning elektromagnit to‘lqinlarni chiqarishi va yutishiga xos chiziqli spektrni yaxshi tushuntirdi. Bundan tashqari, bu nazariya fizik tabiatni — kimyoviy birikmalarning hosil bo‘lish asoslarini, kimyoviy elementlarning xossalarini va Mendeleyevning davriy qonunini — tushunish imkonini berdi.
Keyinchalik kvant mexanikasi nazariy fizikada mikroolam jarayonlarini tavsiflashning asosiy vositasiga aylandi. Kvant mexanikasi rivojlanishi davomida klassik fizikaga xos qat’iy determinizmdan voz kechildi va Geyzenbergning noaniqlik tamoyili qabul qilindi (qarang).
Kvant tasavvurlari yordamida atom yadrolari va yulduzlar qa’rida yuz beradigan hodisalarni, radioaktivlikni, elementar zarralar fizikasini, qattiq jismlar fizikasini, past haroratlar fizikasini (o‘ta o‘tkazuvchanlik va o‘ta oquvchanlik) to‘g‘ri tushuntirish imkoni paydo bo‘ldi. Bu tasavvurlar fizikaning ko‘plab amaliy yo‘nalishlarini rivojlantirish uchun nazariy asos bo‘ldi: atom energetikasi, yarimo‘tkazgich texnikasi, lazerlar va boshqalar.
Nisbiylik nazariyasi
1905-yilda Albert Eynshteyn maxsus nisbiylik nazariyasini taklif qildi. Bu nazariyada makon va vaqtning mutlaqligi haqidagi tushuncha rad etilib, ularning nisbiyligi ilgari surildi: muayyan fizik jismga tegishli makon va vaqt oraliqlarining qiymatlari shu jismning tanlangan sanoq sistemasiga (koordinatalar sistemasiga) nisbatan harakat tezligiga bog‘liq. Turli koordinatalar sistemalarida bu qiymatlar turlicha bo‘lishi mumkin. Jumladan, bir-biridan mustaqil fizik hodisalarning bir vaqtda sodir bo‘lishi ham nisbiydir: bir koordinatalar sistemasida bir vaqtda yuz bergan hodisalar boshqasida turli vaqtlarda sodir bo‘lishi mumkin. Bu nazariya kuzatib bo‘lmaydigan mutlaq makon, mutlaq vaqt va efir tushunchalaridan foydalanmasdan, olam harakatining mantiqiy jihatdan izchil kinematik manzarasini yaratish imkonini berdi.
Ma’lum vaqt davomida bu nazariya tajribaviy dalillarga ega bo‘lmagan faraz bo‘lib qoldi. 1916-yilda esa Eynshteyn umumiy nisbiylik nazariyasini — mexanikaning yangi nazariyasini e’lon qildi. Mazkur nazariya maxsus nazariyada ilgari surilgan nisbiylik tamoyillariga asoslangan edi. Ko‘p o‘tmay, nazariya o‘z tasdig‘ini topdi: xususan, perigeliyning anomal pretsessiyasi Merkuriyda izohlandi. Klassik astronomiya bu hodisani Quyosh sistemasida Merkuriydan ham Quyoshga yaqinroq joylashgan yana bir sayyora mavjudligi bilan izohlashga urinib kelgan, biroq bunday sayyora hech qachon topilmagan. Hozirgi kunga kelib, nisbiylik nazariyasining to‘g‘riligini tasdiqlovchi ko‘plab tajribaviy dalillar mavjud. Jumladan, XIX asrdayoq aniqlangan elektron massasining tezligiga bog‘liqligi ham izohlandi: nisbiylik nazariyasiga ko‘ra, fizik jismning kuzatiladigan massasi uning kuzatuvchiga nisbatan harakat tezligi oshgan sari ortadi. Tajribalarda kuzatiladigan elektronlar odatda yetarlicha katta tezlikda harakat qiladi, shu sababli relyativistik effektlar sezilarli bo‘ladi.
Hozirgi zamonda klassik fizika
Klassik fizika doirasida ko‘plab hodisalarga yetarli izoh topilmagan bo‘lsa-da, u hozir ham insoniyat bilimlarining «oltin fondi»dagi muhim o‘rnini saqlab qolgan. Fizika va muhandislik fanlarining aksariyat amaliy sohalarida eng ko‘p qo‘llanadigan bilimlar aynan klassik fizikaga asoslanadi. U dunyodagi barcha tabiiy fanlar va muhandislik yo‘nalishidagi ta’lim muassasalarida o‘qitiladigan umumiy fizika kurslarining majburiy tarkibiy qismidir.
Buning sababi shundaki, «yangi fizika»ning ustunliklari faqat muayyan sharoitlarda yaqqol namoyon bo‘ladi.
- Kvant effektlari mikroolamda, ya’ni atom o‘lchamlariga yaqin masofalarda sezilarli namoyon bo‘ladi. Ancha katta masofalarda esa kvant tenglamalari klassik tenglamalarga kelib taqaladi.
- Geyzenberg noaniqligi mikroolam darajasida muhim bo‘lsa-da, makroolamda fizik kattaliklarning amaliy o‘lchovlari va shu o‘lchovlarga asoslangan hisob-kitoblar xatoliklariga nisbatan nihoyatda kichikdir.
- Relyativistik fizika ulkan massali (galaktikalar massasiga yaqin) jismlarni va yorug‘lik tezligiga yaqin tezlikda harakatlanadigan jismlarni aniqroq tavsiflaydi. Jismlarning massasi va tezligi kichik bo‘lganda esa nisbiylik nazariyasining tenglamalari klassik mexanika tenglamalariga aylanadi.
Shu bilan birga, klassik fizikaning matematik apparati kundalik tajriba nuqtayi nazaridan soddaroq va tushunarliroqdir. Aksariyat hollarda klassik fizika usullari bilan olingan natijalarning aniqligi amaliy ehtiyojlarni to‘liq qondiradi.
Shunday qilib, «yangi fizika» klassik fizikaning usullari va yutuqlarini butunlay inkor etish o‘rniga uni A. Puankare 1905 yilda ta’riflagan «umumiy yemirilish»dan saqlab qoldi. Buning evaziga determinizm, fizik kattaliklarning uzluksiz o‘zgarishi hamda makon va vaqtning mutlaqligi kabi klassik tamoyillardan voz kechishga to‘g‘ri keldi.
