牛顿力学为什么对粒子物理不适用?

牛顿力学是基于牛顿的三个运动定律和万有引力定律,所以牛顿力学的应用范围受到这四个基本定理的限制,并且牛顿力学不适用于微观和宏观高速。

三百年前,牛顿建立了经典力学,统一了地面和空中物体的运动规律。从那时起,科学家能够准确预测主要行星、卫星和彗星的行为。例如,海王星被称为笔尖上发现的行星。因为起初天文学家通过天王星的引力扰动预测了海王星的存在,然后预测了海王星的轨道并发现了海王星。

经典力学的建立使物理学蓬勃发展,从而推动了人类社会的进步。例如,瓦特发明了蒸汽机,法拉第发明了发电机,莱特发明了飞机,所有这些都与物理学密切相关。

然而,进入20世纪后,人们发现了许多牛顿力学无法解释的现象,如水银进动、黑体辐射、光电效应、光速不变等。

如果我们深入探究原因,实际上是牛顿力学基本定律的局限性,它限制了经典力学的应用范围。牛顿的三个运动定律是:惯性定律、牛顿第二定律(F=ma)、力定律和反作用力定律。

例如,牛顿第二定律仅在宏观低速时有效,在高速时会受到相对论性质量增益效应的影响。然而,作用力和反作用力的定律不适用于某些特殊场合,例如,加速带电粒子将辐射电磁能量,使带电粒子自身受到电磁阻尼,这在经典力学中找不到反作用力。

另外,当两个粒子之间的距离无限接近时,根据万有引力定律的描述,粒子之间的引力将变得无限大,这是不正确的,因此万有引力不能描述微观粒子之间的相互作用,而在强引力源的情况下,万有引力定律也会由于明显的相对论效应而变得无效。

正是由于牛顿力学四个基本定律的局限性,牛顿力学本身有其适用范围,特别是在微观和宏观高速的情况下,这需要用量子力学和相对论力学来描述。

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