מכניקה קלאסית | מגבלות התורה ותורות משלימות

מגבלות התורה ותורות משלימות

לתורת המכניקה הקלאסית ישנן מספר מגבלות, אשר הובילו לבסוף לפיתוח תורות פיזיקליות נוספות אשר מתארות את הטבע בצורה מדויקת יותר. כאמור, תורת המכניקה הקלאסית מתבססת על ניסוח משוואות דיפרנציאליות הנובעות מחוקי הקינמטיקה וחוקי התנועה של ניוטון ופתירתן. משימה זו היא לעיתים מורכבת מבחינה טכנית ומתמטית, ולכן המכניקה הקלאסית מתקשה לתת פתרון מדויק למספר בעיות. על מנת להתגבר על קושי זה, נוסחה תורת המכניקה האנליטית אשר מתבססת על עקרונות פיזיקליים דומים, אך תוך שימוש בעולם המתמטי של חשבון הווריאציות ובעקרון המילטון הידוע גם כ"עקרון הפעולה המינימלית". היתרון הגדול בפורמליזם החדש הוא שניתן להכלילו ל תורת שדות ובפרט למכניקת הקוונטים ותורת שדות קוונטית. תוצאה חשובה מאוד במכניקה האנליטית היא משפט נתר הקובע שכל סימטריה בבעיה גוררת חוק שימור[12].

הקושי שביצירת משוואות תנועה במטרה לאפיין מערכות מרובות חלקיקים ותהליכים הקשורים בהם, למשל תיאור מוצלח של תהליכים המתרחשים בתוך גז, כאשר ניתוח על פי הנחת הרצף איננו מדויק דיו או איננו נוח לצורכי הבעיה, הוביל לפיתוח המכניקה הסטטיסטית[13], אשר עושה שימוש בכלים סטטיסטיים והסתברותיים על מנת לתאר את המערכת בצורה מקרוסקופית. בעוד שהתורה הניוטונית עורכת ניתוח של מערכת ברמת הגופים הבודדים הכלולים בה מתוך חוקי התנועה, הרי שהתורה הסטטיסטית שואפת לנתח את התנהגותה הכוללת של המערכת, ולא של גופים בודדים הכלולים בה, על סמך מאפיינים כלליים של המערכת (למשל, טמפרטורה שאינה תכונה של חלקיק אחד כי אם של מערכת גדולה). מתוך תורה זו נגזרת התרמודינמיקה וכן מושגות משמעויות עמוקות יותר של מונחים ניוטוניים. כך, למשל, מושג ה"לחץ", במשמעותו הסטטיסטית, מתקשר להתנגשות של גופים רבים עם דופן של מערכת מסוימת ובכך מרחיב ומעמיק את המושג הניוטוני, בעיקר בהקשר של ניתוח בפיזיקת הרצף.

תורת הכאוס דנה במערכות שהתנהגותן מתאפיינת ברגישות גבוהה לתנאי ההתחלה שלהן במטרה לנתח את התנהגותן ולהבין את ההתנהגויות אליהן הן שואפות.

תרשים המציג את התורות המכניות המיושמות בהתאם לסדרי הגודל ולמהירויות של המערכות הנחקרות במסגרתן

בתחילת המאה העשרים התחולל שינוי מהותי בעולם הפיזיקה עם היוולדן של שתי תורות חדשות, תורת היחסות ומכניקת הקוונטים, שמקורבות למכניקה הקלאסית, אך סותרות אותה באופן מורגש כשמתקרבים לסדרי גודל מסוימים של גודל ומהירות. במסגרת המכניקה הקלאסית, אין הגבלה על מהירותו של האור או על מהירות העברתה של אינפורמציה. עם זאת, ניסוי מייקלסון-מורלי הראה כי אחד הכללים הבסיסיים של המכניקה הקלאסית, חיבור מהירויות על פי טרנספורמציית גליליי, איננו נשמר עבור האור. בהקשר לניסוי זה ובעקבות בעיות מתחום האלקטרודינמיקה, פיתח הפיזיקאי אלברט איינשטיין את תורת היחסות, הקובעת מגבלה על מהירות האור והעברת האינפורמציה, אשר כתוצאה ממנה משתנים מספר חוקים מכניים בסיסיים כשהמערכות הנידונות מתקרבות למהירות האור. תורת היחסות קובעת כי המרחב והזמן אינם ישויות נפרדות ומוחלטות, ובכך מאגדת את הזמן והמרחב לכדי מרחב-זמן הניתן לעיוות, למשל, על ידי מסות. כמו כן, תורת היחסות קובעת כי המסה והאנרגיה, שבמכניקה הקלאסית הן ישויות שונות, הן בעצם ישות אחת, כלומר – מסה היא אחת מצורותיה של האנרגיה, בדומה לחום או לאנרגיה חשמלית. עבור מהירויות נמוכות משמעותית ממהירות האור ומסות שאינן אסטרונומיות, ההבדלים בין התחזיות של המכניקה הניוטונית לאלו של תורת היחסות הם זניחים[14].

גילויים פיזיקליים על אודות המבנה הפנימי של החומר, כגון הימצאותן של רמות אנרגיה בדידות בתוך האטום (בניגוד למכניקה הקלאסית, שבה לגופים ישנו ספקטרום אנרגטי רציף), אי-קריסתו של האלקטרון אל הגרעין (האלקטרון אינו נופל אל גרעין האטום למרות המשיכה החשמלית ועל אף שלפי התורה האלקטרודינמית גופים טעונים שמאיצים מאבדים אנרגיה עקב פליטת קרינה אלקטרומגנטית), ותופעת דואליות גל-חלקיק המתארת תכונות גליות של גופים מיקרוסקופיים (כמו, למשל, האלקטרון) מצד אחד, ותכונות חלקיקיות של האור (ובפרט, האפקט הפוטואלקטרי) מצד שני - הובילו לפיתוח תורה מכנית המתארת את החומר בסדרי גודל זעירים ונקראת מכניקת הקוונטים. תורה זו שוללת את הדטרמיניזם הקלאסי וקובעת כי בסקאלות קטנות דיין, כמו למשל אטומים, ישנה אי-ודאות מובנית בהתנהגותן של מערכות פיזיקליות, ולכן הן ניתנות לתיאור הסתברותי בלבד.

אחת מהבעיות הפתוחות בפיזיקה היא מציאת מודל מכני כולל שיתאר היטב את התנהגות הטבע בכל סדרי הגודל, יכיל בתוכו את תוצאותיה החשובות של תורת הקוונטים ושל תורת היחסות גם יחד, ויסביר את אופן פעולת ארבעת כוחות היסוד. תורת השדות הקוונטית מנסה לספק מודל מכני שמשלב את התוצאות החשובות של מכניקת הקוונטים ושל תורת היחסות גם יחד. כיום התורה מתארת את הכוח הגרעיני החלש, הכוח הגרעיני החזק ואת הכוח האלקטרומגנטי. התורה עושה שימוש בכלים פיזיקליים מודרניים מתחום פיזיקת מצב מעובה וכן במודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים. שאלה מרכזית פתוחה בהקשר זה היא השאלה "האם קיימת תורה היכולה לתאר את תופעת הכבידה בצורה קוונטית". תורה אפשרית שכזו נקראת תורת כבידה קוונטית.