Katastrofa w ultrafiolecie: definicja, istota i interpretacja

Dzisiaj porozmawiamy o istocie czegoś takiego jak "katastrofa ultrafioletowa": dlaczego pojawił się ten paradoks i czy istnieją sposoby jego rozwiązania.

Fizyka klasyczna

Przed pojawieniem się kwantu w świecie nauk przyrodniczychkrólował fizyka klasyczna. Oczywiście główna rzecz zawsze dotyczyła matematyki. Jednak algebry i geometrii są najczęściej używane jako nauki stosowane. Fizyka klasyczna bada, jak organizm zachowuje się, gdy jest podgrzewany, rozszerzany, uderzający. Opisuje transformację energii z kinetycznej na wewnętrzną, mówi o pojęciach takich jak praca i moc. To właśnie w tym obszarze leży odpowiedź na pytanie, jak powstała katastrofa ultrafioletowa w fizyce.

W pewnym momencie wszystkie te zjawiska byłydobrze przestudiowane, co wydawało się bardziej i nie ma nic do odkrycia! Doszło do tego, że utalentowanym młodym ludziom doradzono matematykę lub biologię, ponieważ przełomy są możliwe tylko w tych dziedzinach nauki. Ale katastrofa ultrafioletowa i zgoda praktyki z teorią okazały się błędne w takich przedstawieniach.

Promieniowanie cieplne

Nie był pozbawiony klasycznej fizyki i paradoksów. Na przykład promieniowanie cieplne jest kwantem pola elektromagnetycznego, które powstaje w ogrzewanych ciałach. Wewnętrzna energia zamienia się w światło. Zgodnie z klasyczną fizyką promieniowanie ogrzanego ciała jest widmem ciągłym, a jego maksimum zależy od temperatury: im mniejszy odczyty termometru, tym "czerwone" najbardziej intensywne światło. Teraz przejdziemy bezpośrednio do tak zwanej katastrofy ultrafioletowej.

Terminator i promieniowanie cieplne

Przykładem promieniowania cieplnego jest ogrzewanie istopione metale. W filmach o Terminatorze często pojawiają się obiekty przemysłowe. W najbardziej wzruszającej drugiej części eposu żelazna maszyna zanurzona jest w wannie z bulgoczącego żeliwa. A to jezioro ma czerwony kolor. Tak więc ten odcień odpowiada maksymalnemu promieniowaniu żeliwa o określonej temperaturze. Oznacza to, że taka wartość nie jest najwyższa ze wszystkich możliwych, ponieważ czerwony foton ma najkrótszą długość fali. Warto pamiętać: ciekły metal emituje energię zarówno w podczerwieni, jak iw widzialnym i ultrafiolecie. Tylko tutaj fotony, które różnią się od czerwonych, są bardzo nieliczne.

Absolutnie czarne ciało

Aby uzyskać gęstość widmową mocypromieniowanie nagrzanej substancji, użyj zbliżenia absolutnie czarnego ciała. Termin brzmi przerażająco, ale w rzeczywistości jest bardzo przydatny w fizyce, a nie tak rzadko w rzeczywistości. Tak więc absolutnie czarne ciało jest obiektem, który nie "uwalnia" fotonów, które do niego przyszły. W tym samym czasie jego kolor (widmo) zależy od temperatury. Zgrubnym przybliżeniem absolutnie czarnego ciała będzie sześcian, którego jedna strona ma dziurę mniejszą niż dziesięć procent powierzchni całej figury. Przykład: okna w mieszkaniach konwencjonalnych budynków wielopiętrowych. Dlatego wydają się czarne.

Prawo Rayleigha-Jeansa

Ta formuła opisuje emisję absolutnie czarnego ciała, opierając się tylko na danych dostępnych dla fizyki klasycznej:

• u (ω, T) = kTω²/ π²c³, gdzie
  jesteś tylko widmową gęstością jasności energii,
  ω to częstotliwość promieniowania,
  kT jest energią oscylacji.

Jeśli długości fal są duże, to wartościsą wiarygodne i dobrze się zgadzają z eksperymentem. Ale gdy tylko przekroczymy linię promieniowania widzialnego i wejdziemy w pas ultrafioletowy widma elektromagnetycznego, energie osiągną niewiarygodne wartości. Ponadto integracja wzoru na częstotliwości od zera do nieskończoności daje nieskończoną wartość! Fakt ten ujawnia istotę katastrofy ultrafioletowej: jeśli ciało jest wystarczająco rozgrzane, jego energia wystarczy, by zniszczyć wszechświat.

Planck i jego kwant

Wielu naukowców próbowało ominąć ten paradoks. Wyciągnął naukę z impasu, przełom, niemal intuicyjny krok w nieznane. Hipoteza Plancka pomogła przełamać paradoks katastrofy ultrafioletowej. Wzór Plancka na rozkład częstotliwości promieniowania absolutnie czarnego ciała zawierał pojęcie "kwantowej". Sam naukowiec zdefiniował to jako bardzo małą jednostkową akcję systemu na otaczającym świecie. Teraz kwant jest najmniejszą niepodzielną częścią pewnych wielkości fizycznych.

Kwanty występują w różnych postaciach:

• Pole elektromagnetyczne (foton, w tym w tęczy);
• pole wektorowe (gluon określa istnienie silnej interakcji);
• pole grawitacyjne (graviton - tak daleko czysto hipotetyczna cząstka, która jest w obliczeniach, ale nie została jeszcze ustalona doświadczalnie);
• Pole Higgsa (bozon Higgsa został niedawno odkryto empirycznie w Large Hadron Collider, a jej otwarcie jest bardzo zadowolony, nawet ludzie z dala od nauki);
• synchroniczny ruch atomów siatki ciała stałego (fonon).

Kot Schrodingera i demon Maxwella

Odkrycie kwantu doprowadziło do bardzo znaczącegokonsekwencje: stworzono całkowicie nową gałąź fizyki. Mechanika kwantowa, optyka, teoria pola spowodowały eksplozję odkryć naukowych. Wybitni uczeni odkryli lub przepisali prawa. Fakt kwantowania układów cząstek elementarnych pomógł wyjaśnić, dlaczego demon Maxwella nie może istnieć (w rzeczywistości zasugerowano trzy wyjaśnienia). Jednak sam Max Planck nie zaakceptował fundamentalnej natury swojego odkrycia przez bardzo długi czas. Uważał, że kwant jest wygodnym matematycznym sposobem wyrażania myśli, ale nie więcej. Co więcej, naukowiec śmiał się w szkole nowych fizyków. Dlatego M. Planck wynalazł nierozwiązywalny, jak mu się wydawało, paradoks o kocie Schrödinger. Biedne zwierzę było żywe i martwe w tym samym czasie, którego nie można sobie wyobrazić. Ale takie zadanie ma całkowicie jasne wyjaśnienie w ramach fizyki kwantowej, a stosunkowo młoda nauka sama już kroczy po planecie z siłą i mocą.