Danas ćemo govoriti o suštini takvog koncepta kao što je "ultraljubičasta katastrofa": zašto se ovaj paradoks pojavio i postoje li načini za njegovo rješavanje.
Klasična fizika
Prije pojave kvanta, svijetom prirodnih znanosti dominirala je klasična fizika. Naravno, matematika se oduvijek smatrala glavnom. Međutim, algebra i geometrija najčešće se koriste kao primijenjene znanosti. Klasična fizika istražuje kako se tijela ponašaju kada su zagrijana, proširena i udarena. Opisuje transformaciju energije iz kinetičke u unutarnju, govori o konceptima kao što su rad i snaga. Upravo je u tom području nastao odgovor na pitanje kako je nastala ultraljubičasta katastrofa u fizici.
U jednom trenutku, svi su ti fenomeni bili toliko dobro proučeni da se činilo da nema više što otkriti! Došlo je do toga da se talentiranim mladim ljudima savjetovalo da idu matematičarima ili biolozima, budući da su proboji mogući samo u tim područjima znanosti. Ali ultraljubičasta katastrofa i usklađivanje prakse s teorijom dokazali su pogrešnost takvih ideja.
toplinsko zračenje
Klasična fizika i paradoksi nisu bili zakinuti. Na primjer, toplinsko zračenje su kvanti elektromagnetskog polja koji nastaju u zagrijanim tijelima. Unutarnja energija se pretvara u svjetlost. Prema klasičnoj fizici, zračenje zagrijanog tijela je kontinuirani spektar, a njegov maksimum ovisi o temperaturi: što je niže očitanje termometra, to je "crvenije" najintenzivnije svjetlo. Sada ćemo izravno pristupiti onome što se zove ultraljubičasta katastrofa.
Terminator i toplinsko zračenje
Primjer toplinskog zračenja su zagrijani i rastaljeni metali. Filmovi o terminatorima često sadrže industrijske objekte. U najdirljivijem drugom dijelu epa, željezni stroj uranja u kadu od lijevanog željeza koji žubori. A ovo jezero je crveno. Dakle, ova nijansa odgovara maksimalnom zračenju lijevanog željeza s određenom temperaturom. To znači da takva vrijednost nije najveća od svih mogućih, jer crveni foton ima najmanju valnu duljinu. Vrijedi zapamtiti: tekući metal zrači energiju u infracrvenom, vidljivom i ultraljubičastom području. Samo ima vrlo malo fotona osim crvenih.
Savršeno crno tijelo
Za dobivanje spektralne gustoće snage zračenja zagrijane tvari koristi se aproksimacija crnog tijela. Izraz zvuči zastrašujuće, ali zapravo je vrlo koristan u fizici i nije tako rijedak u stvarnosti. Dakle, potpuno crno tijelo je predmet koji ne "oslobađa" predmete koji su mu pali.fotona. Štoviše, njegova boja (spektar) ovisi o temperaturi. Gruba aproksimacija potpuno crnog tijela bila bi kocka, na čijoj se jednoj strani nalazi rupa manja od deset posto površine cijele figure. Primjer: prozori u stanovima običnih visokih zgrada. Zato izgledaju crne.
Rayleigh-Jeans
Ova formula opisuje zračenje crnog tijela, samo na temelju podataka dostupnih klasičnoj fizici:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, gdje
u je samo spektralna gustoća osvjetljenja energije, ω je frekvencija zračenja, kT je energija vibracije.
Ako su valne duljine velike, tada su vrijednosti uvjerljive i dobro se slažu s eksperimentom. Ali čim prijeđemo granicu vidljivog zračenja i uđemo u ultraljubičastu zonu elektromagnetskog spektra, energije dostižu nevjerojatne vrijednosti. Osim toga, pri integraciji formule preko frekvencije od nule do beskonačnosti, dobiva se beskonačna vrijednost! Ova činjenica otkriva bit ultraljubičaste katastrofe: ako je neko tijelo dovoljno dobro zagrijano, njegova energija će biti dovoljna da uništi svemir.
Planck i njegov kvant
Mnogi znanstvenici pokušali su zaobići ovaj paradoks. Proboj je izveo znanost iz slijepe ulice, gotovo intuitivnim korakom u nepoznato. Planckova hipoteza pomogla je u prevladavanju paradoksa ultraljubičaste katastrofe. Planckova formula za raspodjelu frekvencija zračenja crnog tijela sadržavala je koncept"kvantni". Sam znanstvenik ga je definirao kao vrlo malu pojedinačnu akciju sustava na okolni svijet. Sada je kvant najmanji nedjeljivi dio nekih fizičkih veličina.
Kvante dolaze u mnogo oblika:
- elektromagnetno polje (foton, uključujući dugu);
- vektorsko polje (gluon određuje postojanje jake interakcije);
- gravitacijsko polje (graviton je još uvijek čisto hipotetička čestica, koja je u izračunima, ali još nije eksperimentalno pronađena);
- Higgsova polja (Higgsov bozon je eksperimentalno otkriven ne tako davno u Velikom hadronskom sudaraču, pa su se njegovom otkriću radovali čak i ljudi vrlo udaljeni od znanosti);
- sinkrono gibanje atoma rešetke čvrstog tijela (fonon).
Schrödingerova mačka i Maxwellov demon
Otkriće kvanta dovelo je do vrlo značajnih posljedica: stvorena je temeljno nova grana fizike. Kvantna mehanika, optika, teorija polja izazvali su eksploziju znanstvenih otkrića. Eminentni znanstvenici otkrili su ili prepisali zakone. Činjenica kvantizacije sustava elementarnih čestica pomogla je objasniti zašto Maxwellov demon ne može postojati (zapravo, predložena su čak tri objašnjenja). Međutim, sam Max Planck dugo vremena nije prihvaćao temeljnu prirodu svog otkrića. Vjerovao je da je kvant zgodan matematički način da se izrazi određena misao, ali ne više. Štoviše, znanstvenik se smijao školi novih fizičara. Stoga je M. Planck došao do nerješivog, kako mu se činilo, paradoksao Schrödingerovoj mački. Jadna zvijer bila je i živa i mrtva u isto vrijeme, što je nemoguće zamisliti. Ali čak i takav zadatak ima sasvim jasno objašnjenje u okviru kvantne fizike, a sama relativno mlada znanost već uvelike korača planetom.
