Idag kommer vi att prata om kärnan i ett sådant koncept som "ultraviolett katastrof": varför denna paradox dök upp och om det finns sätt att lösa den.
Klassisk fysik
Före tillkomsten av kvantumet dominerades naturvetenskapens värld av klassisk fysik. Naturligtvis har matematik alltid ansetts vara den främsta. Men algebra och geometri används oftast som tillämpad vetenskap. Klassisk fysik utforskar hur kroppar beter sig när de värms upp, expanderas och träffas. Den beskriver omvandlingen av energi från kinetisk till intern, talar om begrepp som arbete och kraft. Det är i detta område som svaret på frågan om hur den ultravioletta katastrofen inom fysiken uppstod.
Vid någon tidpunkt var alla dessa fenomen så väl studerade att det verkade som om det inte fanns något mer att upptäcka! Det kom till den punkten att begåvade ungdomar fick rådet att gå till matematiker eller biologer, eftersom genombrott endast är möjliga inom dessa vetenskapsområden. Men den ultravioletta katastrofen och harmoniseringen av praktiken med teorin bevisade felaktigheten i sådana idéer.
Värmestrålning
Klassisk fysik och paradoxer berövades inte. Termisk strålning är till exempel mängden av det elektromagnetiska fältet som uppstår i uppvärmda kroppar. Intern energi förvandlas till ljus. Enligt klassisk fysik är strålningen från en uppvärmd kropp ett kontinuerligt spektrum, och dess maximum beror på temperaturen: ju lägre termometeravläsningen är, desto "rödare" är det mest intensiva ljuset. Nu närmar vi oss direkt vad som kallas den ultravioletta katastrofen.
Terminator och termisk strålning
Ett exempel på termisk strålning är uppvärmda och smälta metaller. Terminatorfilmer innehåller ofta industrianläggningar. I den mest rörande andra delen av eposet störtar järnmaskinen ner i ett bad av gurglande gjutjärn. Och den här sjön är röd. Så denna nyans motsvarar den maximala strålningen av gjutjärn med en viss temperatur. Det betyder att ett sådant värde inte är det högsta av alla möjliga, eftersom den röda fotonen har den minsta våglängden. Det är värt att komma ihåg: flytande metall utstrålar energi i det infraröda och i det synliga och i det ultravioletta området. Bara det finns väldigt få fotoner förutom röda.
Perfekt svart kropp
För att erhålla den spektrala effekttätheten för strålningen från ett upphettat ämne, används den svarta kroppens approximation. Termen låter skrämmande, men i själva verket är den väldigt användbar inom fysiken och är inte så sällsynt i verkligheten. Så, en helt svart kropp är ett föremål som inte "släpper" de föremål som har fallit på den.fotoner. Dessutom beror dess färg (spektrum) på temperaturen. En grov uppskattning av en helt svart kropp skulle vara en kub, på ena sidan av vilken det finns ett hål som är mindre än tio procent av hela figurens yta. Exempel: fönster i lägenheter i vanliga höghus. Det är därför de ser svarta ut.
Rayleigh-Jeans
Denna formel beskriver strålningen från en svart kropp, endast baserad på data som är tillgängliga för klassisk fysik:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, där
u är bara den spektrala tätheten för energiluminositet, ω är strålningsfrekvensen, kT är vibrationsenergin.
Om våglängderna är stora är värdena rimliga och stämmer väl överens med experimentet. Men så snart vi korsar linjen av synlig strålning och går in i den ultravioletta zonen av det elektromagnetiska spektrumet, når energierna otroliga värden. Dessutom, när man integrerar formeln över frekvens från noll till oändlighet, erhålls ett oändligt värde! Detta faktum avslöjar kärnan i den ultravioletta katastrofen: om någon kropp värms upp tillräckligt bra kommer dess energi att räcka för att förstöra universum.
Planck och hans kvantum
Många forskare har försökt komma runt denna paradox. Ett genombrott ledde vetenskapen ut ur återvändsgränden, ett nästan intuitivt steg in i det okända. Plancks hypotes hjälpte till att övervinna paradoxen med den ultravioletta katastrofen. Plancks formel för frekvensfördelningen av svartkroppsstrålning innehöll konceptet"kvant". Forskaren själv definierade det som en mycket liten enstaka åtgärd av systemet på omvärlden. Nu är ett kvantum den minsta odelbara delen av vissa fysiska storheter.
Quantas finns i många former:
- elektromagnetiskt fält (foton, inklusive i en regnbåge);
- vektorfält (gluon bestämmer förekomsten av stark interaktion);
- gravitationsfält (graviton är fortfarande en rent hypotetisk partikel, som finns med i beräkningarna, men den har ännu inte hittats experimentellt);
- Higgs-fält (Higgs-bosonen upptäcktes experimentellt för inte så länge sedan i Large Hadron Collider, och till och med människor långt ifrån vetenskapen gladde sig över upptäckten);
- synkron rörelse av atomer i gittret i en fast kropp (fonon).
Schrödingers katt och Maxwells demon
Upptäckten av kvantumet ledde till mycket betydande konsekvenser: en fundament alt ny gren av fysiken skapades. Kvantmekanik, optik, fältteori orsakade en explosion av vetenskapliga upptäckter. Framstående vetenskapsmän upptäckte eller skrev om lagar. Faktumet med kvantisering av system av elementarpartiklar hjälpte till att förklara varför Maxwell-demonen inte kan existera (i själva verket har så många som tre förklaringar föreslagits). Max Planck själv accepterade dock inte den grundläggande karaktären av sin upptäckt på mycket länge. Han trodde att ett kvantum är ett bekvämt matematiskt sätt att uttrycka en viss tanke, men inte mer. Dessutom skrattade vetenskapsmannen åt skolan för nya fysiker. Därför kom M. Planck på en olöslig, som det tycktes honom, paradoxom Schrödingers katt. Den stackars besten var både levande och död på samma gång, vilket är omöjligt att föreställa sig. Men även en sådan uppgift har en ganska tydlig förklaring inom kvantfysikens ram, och den relativt unga vetenskapen själv går redan över planeten med kraft och kraft.
