Dziś porozmawiamy o istocie takiego pojęcia, jak „katastrofa ultrafioletowa”: dlaczego pojawił się ten paradoks i czy istnieją sposoby na jego rozwiązanie.
Fizyka klasyczna
Przed nadejściem kwantu świat nauk przyrodniczych był zdominowany przez fizykę klasyczną. Oczywiście matematyka zawsze była uważana za główną. Jednak algebra i geometria są najczęściej używane jako nauki stosowane. Fizyka klasyczna bada zachowanie ciał po podgrzaniu, rozszerzeniu i uderzeniu. Opisuje przemianę energii z kinetycznej na wewnętrzną, mówi o takich pojęciach jak praca i moc. To właśnie w tym obszarze odpowiedź na pytanie, jak powstała katastrofa ultrafioletowa w fizyce.
W pewnym momencie wszystkie te zjawiska zostały tak dobrze zbadane, że wydawało się, że nie ma nic więcej do odkrycia! Doszło do tego, że utalentowanym młodym ludziom doradzono, aby udali się do matematyków lub biologów, ponieważ przełomy są możliwe tylko w tych dziedzinach nauki. Ale katastrofa ultrafioletowa i harmonizacja praktyki z teorią dowiodły błędności takich pomysłów.
Promieniowanie cieplne
Fizyka klasyczna i paradoksy nie zostały pozbawione. Na przykład promieniowanie cieplne to kwanty pola elektromagnetycznego, które powstają w nagrzanych ciałach. Energia wewnętrzna zamienia się w światło. Według fizyki klasycznej promieniowanie nagrzanego ciała ma widmo ciągłe, a jego maksimum zależy od temperatury: im niższy odczyt termometru, tym „bardziej czerwone” najbardziej intensywne światło. Teraz bezpośrednio podejdziemy do tego, co nazywamy katastrofą ultrafioletową.
Terminator i promieniowanie cieplne
Przykład promieniowania cieplnego to podgrzewane i roztopione metale. Filmy Terminator często przedstawiają obiekty przemysłowe. W najbardziej wzruszającej drugiej części eposu żelazna maszyna zanurza się w bulgoczącej wannie żeliwa. A to jezioro jest czerwone. Tak więc ten odcień odpowiada maksymalnemu promieniowaniu żeliwa o określonej temperaturze. Oznacza to, że taka wartość nie jest najwyższa z możliwych, ponieważ czerwony foton ma najmniejszą długość fali. Warto pamiętać: ciekły metal promieniuje energią w podczerwieni, widzialnym i ultrafioletowym. Tylko że jest bardzo mało fotonów innych niż czerwony.
Idealne czarne body
Aby uzyskać widmową gęstość mocy promieniowania rozgrzanej substancji, stosuje się przybliżenie ciała doskonale czarnego. Termin brzmi przerażająco, ale w rzeczywistości jest bardzo przydatny w fizyce i nie jest tak rzadki w rzeczywistości. Tak więc całkowicie czarne ciało to obiekt, który nie „uwalnia” obiektów, które do niego spadły.fotony. Ponadto jego kolor (widmo) zależy od temperatury. Zgrubnym przybliżeniem całkowicie czarnego ciała byłby sześcian, którego po jednej stronie znajduje się dziura mniejsza niż dziesięć procent powierzchni całej figury. Przykład: okna w mieszkaniach zwykłych wieżowców. Dlatego wydają się czarne.
Rayleigh-Jeans
Ten wzór opisuje promieniowanie ciała doskonale czarnego w oparciu wyłącznie o dane dostępne w fizyce klasycznej:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, gdzie
u to tylko gęstość widmowa jasności energii, ω to częstotliwość promieniowania, kT to energia wibracji.
Jeśli długości fal są duże, wartości są wiarygodne i dobrze zgadzają się z eksperymentem. Ale gdy tylko przekroczymy linię promieniowania widzialnego i wejdziemy w ultrafioletową strefę widma elektromagnetycznego, energie osiągają niewiarygodne wartości. Ponadto przy całkowaniu wzoru przez częstotliwość od zera do nieskończoności uzyskuje się wartość nieskończoną! Fakt ten ujawnia istotę katastrofy ultrafioletowej: jeśli jakieś ciało zostanie wystarczająco dobrze ogrzane, jego energia wystarczy do zniszczenia wszechświata.
Planck i jego kwant
Wielu naukowców próbowało obejść ten paradoks. Przełom wyprowadził naukę z impasu, niemal intuicyjny krok w nieznane. Hipoteza Plancka pomogła przezwyciężyć paradoks katastrofy ultrafioletowej. Wzór Plancka na rozkład częstotliwości promieniowania ciała doskonale czarnego zawierał koncepcję"kwant". Sam naukowiec określił to jako bardzo małe pojedyncze działanie systemu na otaczający świat. Teraz kwant jest najmniejszą niepodzielną częścią niektórych wielkości fizycznych.
Kwanty występują w wielu formach:
- pole elektromagnetyczne (foton, w tym w tęczy);
- pole wektorowe (gluon określa istnienie silnego oddziaływania);
- pole grawitacyjne (grawiton jest nadal czysto hipotetyczną cząstką, która jest w obliczeniach, ale nie została jeszcze odkryta doświadczalnie);
- Pola Higgsa (bozon Higgsa został eksperymentalnie odkryty nie tak dawno temu w Wielkim Zderzaczu Hadronów i nawet ludzie bardzo daleko od nauki ucieszyli się z jego odkrycia);
- ruch synchroniczny atomów sieci ciała stałego (fonon).
Kot Schrödingera i demon Maxwella
Odkrycie kwantu doprowadziło do bardzo znaczących konsekwencji: powstała zupełnie nowa gałąź fizyki. Mechanika kwantowa, optyka, teoria pola spowodowały eksplozję odkryć naukowych. Wybitni naukowcy odkryli lub przepisali prawa. Fakt kwantyzacji układów cząstek elementarnych pomógł wyjaśnić, dlaczego demon Maxwell nie może istnieć (w rzeczywistości zaproponowano aż trzy wyjaśnienia). Jednak sam Max Planck bardzo długo nie akceptował fundamentalnej natury swojego odkrycia. Uważał, że kwant to wygodny matematyczny sposób wyrażania pewnej myśli, ale nic więcej. Co więcej, naukowiec śmiał się ze szkoły nowych fizyków. Dlatego M. Planck wymyślił nierozwiązywalny, jak mu się wydawało, paradokso kocie Schrödingera. Biedna bestia była jednocześnie żywa i martwa, czego nie sposób sobie wyobrazić. Ale nawet takie zadanie ma dość jasne wyjaśnienie w ramach fizyki kwantowej, a sama stosunkowo młoda nauka już kroczy po planecie z mocą i główną siłą.
