Astăzi vom vorbi despre esența unui astfel de concept precum „catastrofa ultravioletă”: de ce a apărut acest paradox și dacă există modalități de a-l rezolva.
Fizică clasică
Înainte de apariția cuanticii, lumea științelor naturale era dominată de fizica clasică. Desigur, matematica a fost întotdeauna considerată cea principală. Cu toate acestea, algebra și geometria sunt cel mai adesea folosite ca științe aplicate. Fizica clasică explorează modul în care corpurile se comportă atunci când sunt încălzite, extinse și lovite. Descrie transformarea energiei de la cinetică la internă, vorbește despre concepte precum munca și puterea. În acest domeniu a apărut răspunsul la întrebarea cum a apărut catastrofa ultravioletă din fizică.
La un moment dat, toate aceste fenomene au fost atât de bine studiate încât părea că nu mai este nimic de descoperit! S-a ajuns la punctul în care tinerii talentați au fost sfătuiți să meargă la matematicieni sau biologi, deoarece descoperirile sunt posibile numai în aceste domenii ale științei. Dar catastrofa ultravioletă și armonizarea practicii cu teoria au dovedit eroarea unor astfel de idei.
Radiația de căldură
Fizica clasică și paradoxurile nu au fost lipsite. De exemplu, radiația termică este cuantele câmpului electromagnetic care apar în corpurile încălzite. Energia internă se transformă în lumină. Potrivit fizicii clasice, radiația unui corp încălzit este un spectru continuu, iar maximul său depinde de temperatură: cu cât citirea termometrului este mai scăzută, cu atât mai „roșu” este lumina cea mai intensă. Acum ne vom apropia direct de ceea ce se numește catastrofa ultravioletă.
Terminator și radiații termice
Un exemplu de radiație termică este metalele încălzite și topite. Filmele Terminator prezintă adesea instalații industriale. În cea mai emoționantă parte a epopeei, mașina de fier se cufundă într-o baie de fontă gâlgâitoare. Și acest lac este roșu. Deci, această nuanță corespunde radiației maxime a fontei cu o anumită temperatură. Aceasta înseamnă că o astfel de valoare nu este cea mai mare dintre toate posibile, deoarece fotonul roșu are cea mai mică lungime de undă. Merită să ne amintim: metalul lichid radiază energie în infraroșu, și în vizibil și în regiunea ultravioletă. Numai că există foarte puțini fotoni în afară de roșu.
Corpul negru perfect
Pentru a obține densitatea de putere spectrală a radiației unei substanțe încălzite, se utilizează aproximarea corpului negru. Termenul sună înfricoșător, dar de fapt este foarte util în fizică și nu este atât de rar în realitate. Deci, un corp complet negru este un obiect care nu „eliberează” obiectele care au căzut pe el.fotonii. Mai mult, culoarea (spectrul) sa depinde de temperatură. O aproximare aproximativă a unui corp complet negru ar fi un cub, într-o parte a căruia există o gaură mai mică de zece la sută din suprafața întregii figuri. Exemplu: ferestre în apartamentele clădirilor în alte obișnuite. De aceea par negre.
Rayleigh-Jeans
Această formulă descrie radiația unui corp negru, bazată numai pe datele disponibile pentru fizica clasică:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, unde
u este doar densitatea spectrală a luminozității energiei, ω este frecvența radiației, kT este energia vibrației.
Dacă lungimile de undă sunt mari, atunci valorile sunt plauzibile și sunt de acord cu experimentul. Dar de îndată ce trecem linia radiațiilor vizibile și intrăm în zona ultravioletă a spectrului electromagnetic, energiile ating valori incredibile. În plus, la integrarea formulei peste frecvență de la zero la infinit, se obține o valoare infinită! Acest fapt dezvăluie esența catastrofei ultraviolete: dacă un corp este suficient de bine încălzit, energia lui va fi suficientă pentru a distruge universul.
Planck și cuantumul lui
Mulți oameni de știință au încercat să rezolve acest paradox. O descoperire a condus știința din impas, un pas aproape intuitiv în necunoscut. Ipoteza lui Planck a ajutat la depășirea paradoxului catastrofei ultraviolete. Formula lui Planck pentru distribuția de frecvență a radiației corpului negru conținea conceptul"cuantic". Omul de știință însuși a definit-o ca o acțiune unică foarte mică a sistemului asupra lumii înconjurătoare. Acum, o cuantă este cea mai mică porțiune indivizibilă a unor cantități fizice.
Quantele vin în multe forme:
- câmp electromagnetic (foton, inclusiv într-un curcubeu);
- câmp vectorial (gluonul determină existența unei interacțiuni puternice);
- câmp gravitațional (gravitonul este încă o particulă pur ipotetică, care se află în calcule, dar nu a fost încă găsită experimental);
- Câmpuri Higgs (bosonul Higgs a fost descoperit experimental nu cu mult timp în urmă în Large Hadron Collider, și chiar și oameni foarte departe de știință s-au bucurat de descoperirea sa);
- mișcarea sincronă a atomilor rețelei unui corp solid (fonon).
Pisica lui Schrödinger și demonul lui Maxwell
Descoperirea cuantiei a dus la consecințe foarte semnificative: a fost creată o ramură fundamental nouă a fizicii. Mecanica cuantică, optica, teoria câmpului au provocat o explozie de descoperiri științifice. Eminenți oameni de știință au descoperit sau rescris legi. Faptul de cuantificare a sistemelor de particule elementare a ajutat la explicarea de ce demonul Maxwell nu poate exista (de fapt, au fost propuse până la trei explicații). Cu toate acestea, Max Planck însuși nu a acceptat natura fundamentală a descoperirii sale pentru o perioadă foarte lungă de timp. El credea că un cuantic este o modalitate matematică convenabilă de a exprima un anumit gând, dar nu mai mult. Mai mult, omul de știință a râs de școala de noi fizicieni. Prin urmare, M. Planck a venit cu un paradox de nerezolvat, după cum i se păreadespre pisica lui Schrödinger. Biata fiară era și vie și moartă în același timp, ceea ce este imposibil de imaginat. Dar chiar și o astfel de sarcină are o explicație destul de clară în cadrul fizicii cuantice, iar știința relativ tânără în sine traversează deja planeta cu forță și putere.
