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Klassische Physik
Die klassische Physik umfasst die Teilgebiete der Physik, deren theoretische Grundlagen in etwa bis zur Wende zum 20. Jahrhundert entwickelt wurden.
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Kernidee und Bedeutung
Die klassische Physik umfasst die Teilgebiete der Physik, deren theoretische Grundlagen ungefähr bis zur Wende zum 20. Jahrhundert entwickelt wurden. Zu ihren wichtigsten Disziplinen gehören die klassische Mechanik, die klassische Elektrodynamik und die klassische Thermodynamik beziehungsweise Wärmelehre, jeweils einschließlich späterer Weiterentwicklungen. Je nach Sichtweise werden die Spezielle und die Allgemeine Relativitätstheorie von 1905/16 entweder noch zur klassischen Physik oder schon zur modernen Physik gerechnet. Nicht zur klassischen Physik gehören die Gebiete, die auf den ab 1900 entdeckten Konzepten der Quantisierung beruhen; sie werden zusammenfassend als Moderne Physik bezeichnet.
Ihre große Bedeutung liegt darin, dass sie makroskopische physikalische Vorgänge in Natur und Technik in weiten Bereichen nahezu vollständig beschreibt. Makroskopisch bedeutet: Vorgänge an Körpern und Systemen, die im Alltag oder in technischen Anwendungen groß genug sind, um nicht einzelne Atome, Moleküle oder Elementarteilchen betrachten zu müssen. In diesem etablierten Anwendungsbereich hat die klassische Physik durch die moderne Physik ihre Gültigkeit nicht verloren. Aus moderner Sicht ist sie eine näherungsweise korrekte Beschreibung der Wirklichkeit.
Sie versagt jedoch beim mikroskopisch Kleinen, also bei Elementarteilchen, Atomen und Molekülen. Dort zeigen sich Grenzen von Begriffen und Theorien, die bei makroskopischer Beobachtung scheinbar uneingeschränkt gültig sind, tatsächlich aber nur näherungsweise zutreffen. Viele Fragen zum Aufbau und zu den Eigenschaften der Materie lassen sich nur mit Quantentheorie und Relativitätstheorie erklären.
Grundannahmen im Vergleich zur modernen Physik
Der klassischen Physik ohne Relativitätstheorien liegen Annahmen zugrunde, die in der näheren Erfahrungswelt näherungsweise richtig sind, aber nicht allgemein streng gelten. Klassisch gelten Zeitdauern und Längen als absolute Größen, also unabhängig vom Bezugssystem. Deshalb hängt jede Geschwindigkeit, auch die Lichtgeschwindigkeit, vom Bewegungszustand des Beobachters ab; dazu passt die Galilei-Transformation. In der modernen Physik ist dagegen die Lichtgeschwindigkeit absolut, also unabhängig von der Geschwindigkeit des Bezugssystems. Daraus folgen Zeitdilatation, Längenkontraktion und Lorentz-Transformation.
Klassisch laufen alle physikalischen Vorgänge in einem dreidimensionalen kartesischen Raum ab, in dem die Gesetze der euklidischen Geometrie gelten. Die Zeit vergeht unabhängig vom Raum. Modern betrachtet sind die drei Raumdimensionen und die Zeit miteinander verwoben und bilden eine vierdimensionale Raumzeit.
Auch die Gravitation wird verschieden verstanden. Nach Isaac Newton ist sie in der klassischen Physik eine Fernwirkung, die durch das Gravitationsgesetz beschrieben wird. In der modernen Sicht der Allgemeinen Relativitätstheorie sind Trägheitskräfte und Gravitationskräfte äquivalent; sie wirken am betrachteten Ort durch die dort herrschende Krümmung der Raumzeit.
In der klassischen Physik sind Masse und Energie zwei verschiedene Erhaltungsgrößen. Modern ist nur die Energie eine Erhaltungsgröße; Masse ist wegen der Masse-Energie-Äquivalenz nicht unabhängig erhalten. Ein System verliert Masse, wenn es Energie abstrahlt, auch wenn es keine Materie abgibt.
Weitere Unterschiede betreffen Quantelung, Messgenauigkeit und Determinismus. Klassisch können elektromagnetische Wellen nach den Maxwell-Gleichungen beliebige Energien haben; modern treten sie stets gequantelt in diskreten Energieportionen, den Photonen, auf. Klassisch gelten alle physikalischen Größen eines Objekts grundsätzlich gleichzeitig beliebig genau bestimmbar; praktisch begrenzt nur die Messtechnik die Präzision. In der Quantenphysik begrenzt die Heisenbergsche Unschärferelation die gleichzeitige Bestimmung von Ort und Impuls oder anderer Paare konjugierter Größen bereits prinzipiell. Klassisch wäre bei genauer Kenntnis aller Naturgesetze und Parameter das Verhalten eines Systems exakt vorhersagbar, was Determinismus heißt. Nach der Quantenphysik lassen sich exakte Aussagen nur über Wahrscheinlichkeiten verschiedener Entwicklungen machen, etwa in der Kopenhagener Interpretation.
In der Praxis entscheidet man oft nach geforderter Genauigkeit und relevanten Größenordnungen, ob eine klassische Behandlung genügt oder ob Quanten- beziehungsweise relativistische Effekte berücksichtigt werden müssen. Modelle, die nur teilweise klassische Vorstellungen aufgeben, heißen halbklassisch; ein Beispiel ist das zur Quantenphysik gehörende Bohrsche Atommodell.
Teilgebiete
Zur klassischen Physik gehören mehrere große Bereiche. Die klassische Mechanik untersucht Bewegungen, Kräfte und Gleichgewichte. Dazu zählen die Kinematik als quantitative Beschreibung von Bewegungen, die Statik als Lehre vom Kräftegleichgewicht und die Dynamik als Lehre von der Wirkung von Kräften auf die Bewegung von Körpern. Weitere Teilbereiche sind die Statik starrer und deformierbarer Körper, Hydrostatik, Aerostatik, Dynamik des starren Körpers, Hydrodynamik als Strömung von Flüssigkeiten, Aerodynamik als Strömung von Gasen, Himmelsmechanik einschließlich Gravitation sowie Akustik als Lehre vom Schall.
Die klassische Elektrodynamik im weiteren Sinne behandelt elektrische und magnetische Erscheinungen. Dazu gehören Elektrostatik, also Kräfte zwischen ruhenden elektrischen Ladungen, Magnetostatik, vor allem die Wirkung von Permanentmagneten, sowie Elektrodynamik im engeren Sinne, also die gegenseitige Beeinflussung elektrischer und magnetischer Felder und elektromagnetische Wellen. Auch die Lehre vom elektrischen Stromkreis gehört dazu.
Die Optik ist die Lehre vom Licht. In der Strahlenoptik wird Licht durch die geradlinige Ausbreitung von Strahlen beschrieben. In der Wellenoptik wird Licht als elektromagnetische Welle beschrieben.
Die Thermodynamik oder Wärmelehre beschreibt thermodynamische Prozesse. Die klassische Thermodynamik arbeitet mit makroskopischen Größen. Die statistische Mechanik begründet das makroskopische Verhalten eines Systems durch die statistische Beschreibung seiner Teilchen; dazu gehört auch die kinetische Gastheorie.
Historische Entwicklung
Die Epoche der klassischen Physik umfasst etwa das 17., 18. und 19. Jahrhundert. Galileo Galilei begründete sie durch die Einführung der experimentellen Methode und der mathematischen Beschreibung physikalischer Vorgänge in „Discorsi e dimostrazioni matematiche“. Er untersuchte Bewegungen systematisch und quantitativ und schuf damit die Kinematik als ersten Teilbereich der klassischen Mechanik.
Das eigentliche Fundament der Mechanik legte Isaac Newton. Mit den Newtonschen Gesetzen stellte er eine einheitliche Grundlage für dynamische Vorgänge her, indem er Kräfte und Bewegungen miteinander verknüpfte. Außerdem führte er die Infinitesimalrechnung in die Physik ein und formulierte das Gravitationsgesetz, das Henry Cavendish später im Laborexperiment quantitativ überprüfen konnte. Newtons Erkenntnisse wurden unter anderem von d’Alembert, Euler, Lagrange und Hamilton theoretisch vertieft sowie durch Bernoulli, Navier und Stokes auf Fluide ausgedehnt.
Elektrizität wurde zunächst phänomenologisch untersucht. Benjamin Franklin erkannte, dass es nur eine Ladungsart gibt, die positiv oder negativ sein kann. Coulomb beschrieb die anziehenden und abstoßenden Kräfte zwischen Ladungen mit einem Gesetz nach dem Vorbild des Newtonschen Gravitationsgesetzes. Ohm und Kirchhoff formulierten Gesetze des elektrischen Stromkreises. Der Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen Kräften wurde unter anderem durch Ampère und Faraday aufgedeckt. Maxwell fasste diese Zusammenhänge in vier Gleichungen zusammen. Daraus ergab sich die Vorhersage elektromagnetischer Wellen, die Hertz experimentell nachwies. Weil ihre Geschwindigkeit mit der Lichtgeschwindigkeit übereinstimmte, lag der Schluss nahe, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist.
Bei der Natur des Lichts gab es lange Streit. Newton beschrieb Licht als Strom von Teilchen, Huygens vermutete dagegen eine Welle. Thomas Young bestätigte die Wellenvorstellung durch Doppelspaltexperimente.
Die Thermodynamik beschäftigte sich zunächst vor allem mit Zustandsänderungen von Gasen, etwa bei Gay-Lussac, Boyle, Mariotte und Amontons, was zur allgemeinen Gasgleichung führte. Im 19. Jahrhundert entstand die Vorstellung, dass die „Lebendige Kraft“ der Mechanik und die „Wärme“ der Thermodynamik verwandt sind. Joule maß das „mechanische Wärmeäquivalent“. Daraus entwickelte sich der Begriff einer universellen Größe, die heute Energie heißt. Mayer erkannte Energie als Erhaltungsgröße; dies ist der wesentliche Inhalt des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik. Der zweite Hauptsatz, der unter anderem besagt, dass mechanische Energieformen beliebig in thermische Energieformen umwandelbar sind, aber nicht umgekehrt, geht auf Clausius zurück. Ein tieferes Verständnis entstand durch die Beschreibung thermodynamischer Prozesse auf Teilchenebene mit der statistischen Mechanik, unter anderem durch Boltzmann.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts zeigte sich, dass die bisherigen Theorien bestimmte beobachtete Phänomene nicht erklären konnten. Neue Konzepte stellten Grundannahmen infrage, die bis dahin selbstverständlich erschienen. Physiker jener Zeit, beispielsweise Max Planck, grenzten das ältere Wissen von den neuen Gedanken ab, indem sie es als „klassisch“ bezeichneten.
Grenzen und typische Probleme
Gegen Ende des 19. Jahrhunderts galt die Physik fast als abgeschlossen, obwohl einige Naturphänomene nicht mit der klassischen Physik vereinbar waren. Ein wichtiges Beispiel war der Äther, der als Medium für die Ausbreitung von Licht angenommen wurde. Experimente wie das Michelson-Morley-Experiment widersprachen seiner Existenz. Einstein erkannte, dass elektromagnetische Wellen nur ohne ein solches Medium widerspruchsfrei beschrieben werden konnten. Dafür musste er die Vorstellung eines Bezugssystems in absoluter Ruhe aufgeben und durch das Postulat der invarianten Lichtgeschwindigkeit ersetzen.
Ein weiteres Problem betraf beschleunigte Elektronen. Klassische Berechnungen ergaben je nach Messanordnung verschiedene Massen, eine „transversale“ und eine „longitudinale“ Masse. Einstein zeigte 1905 in der speziellen Relativitätstheorie, dass die Masse eines Körpers zwar eine wohlbestimmte Größe ist, zunächst „Ruhemasse“ genannt, dass aber Längen, Zeiten und damit das Trägheitsverhalten von der Geschwindigkeit und vom Bezugssystem abhängen.
Auch die Periheldrehung der Merkurbahn ließ sich klassisch nicht vollständig erklären. Sie war um 0,43 Bogensekunden pro Jahr größer als die klassischen Berechnungen vorhersagten. Eine zutreffende Berechnung gelang erst 1915 mit Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie.
Bei der Strahlung eines schwarzen Körpers erklärte die klassische Physik die Intensität nur bei niedrigen Frequenzen gut. Für hohe Frequenzen lieferte sie absurd hohe Werte; dieses Problem heißt „Ultraviolett-Katastrophe“. Im Experiment trat das nicht auf. Max Planck löste das Problem 1900 durch die Einführung der Quantenhypothese und das Plancksche Strahlungsgesetz.
Der Aufbau der Materie war ebenfalls nicht klassisch erklärbar. Ein Atommodell, in dem Elektronen auf stabilen Bahnen um einen Atomkern kreisen, widerspricht der klassischen Elektrodynamik: Die Elektronen müssten ständig Energie abstrahlen und nach kurzer Zeit in den Atomkern stürzen. Erwin Schrödinger behandelte 1926 das Wasserstoffatom rechnerisch, indem er das Elektron nicht als klassisches kreisendes Teilchen, sondern als stehende Welle im elektrischen Feld des Atomkerns beschrieb.
Auch die seit 1896 bekannte Radioaktivität passte nicht in klassische Materiekonzepte. Zu ihrem Verständnis braucht man sowohl die Masse-Energie-Äquivalenz aus der Relativitätstheorie als auch quantenphysikalische Ansätze zur Beschreibung von Wechselwirkungen und Teilchen.
