Tänään puhumme sellaisen käsitteen kuin "ultraviolettikatastrofi" olemuksesta: miksi tämä paradoksi ilmestyi ja onko olemassa tapoja ratkaista se.
Klassinen fysiikka
Ennen kvantin tuloa luonnontieteen maailmaa hallitsi klassinen fysiikka. Tietenkin matematiikkaa on aina pidetty pääasiallisena. Algebraa ja geometriaa käytetään kuitenkin useimmiten soveltavina tieteinä. Klassinen fysiikka tutkii kehon käyttäytymistä kuumennettaessa, laajennettaessa ja osuessaan. Se kuvaa energian muuttumista kineettisestä sisäiseksi, puhuu sellaisista käsitteistä kuin työ ja voima. Juuri tällä alueella vastaus kysymykseen, kuinka fysiikan ultraviolettikatastrofi syntyi.
Jossain vaiheessa kaikkia näitä ilmiöitä tutkittiin niin hyvin, että näytti siltä, ettei enää ollut mitään löydettävää! Asia meni siihen pisteeseen, että lahjakkaita nuoria neuvottiin menemään matemaatikoille tai biologeille, koska läpimurrot ovat mahdollisia vain näillä tieteenaloilla. Mutta ultraviolettikatastrofi ja käytännön harmonisointi teorian kanssa osoittivat tällaisten ajatusten virheellisyyden.
Lämpösäteily
Klassista fysiikkaa ja paradokseja ei riistetty. Esimerkiksi lämpösäteily on sähkömagneettisen kentän kvantti, joka syntyy kuumennetuissa kappaleissa. Sisäinen energia muuttuu valoksi. Klassisen fysiikan mukaan kuumennetun kappaleen säteily on jatkuva spektri, ja sen maksimi riippuu lämpötilasta: mitä matalampi lämpömittarin lukema, sitä "punaisempi" on voimakkain valo. Nyt lähestymme suoraan sitä, mitä kutsutaan ultraviolettikatastrofiksi.
Terminaattori ja lämpösäteily
Esimerkki lämpösäteilystä on kuumennetut ja sulat metallit. Terminaattorielokuvissa on usein teollisia tiloja. Eepoksen koskettavimmassa toisessa osassa rautakone syöksyi gurisevan valuraudan kylpyyn. Ja tämä järvi on punainen. Joten tämä sävy vastaa valuraudan enimmäissäteilyä tietyllä lämpötilalla. Tämä tarkoittaa, että tällainen arvo ei ole korkein kaikista mahdollisista, koska punaisella fotonilla on pienin aallonpituus. On syytä muistaa: nestemäinen metalli säteilee energiaa infrapuna- ja näkyvässä sekä ultraviolettialueella. Vain punaisia fotoneja on hyvin vähän.
Täydellinen musta runko
Kuumutetun aineen säteilyn spektritehotiheyden saamiseksi käytetään mustan kappaleen approksimaatiota. Termi kuulostaa pelottav alta, mutta itse asiassa se on erittäin hyödyllinen fysiikassa, eikä se ole niin harvinainen todellisuudessa. Täysin musta kappale on siis esine, joka ei "vapauta" sille pudonneita esineitä.fotonit. Lisäksi sen väri (spektri) riippuu lämpötilasta. Karkea arvio täysin mustasta kappaleesta olisi kuutio, jonka toisella sivulla on reikä alle kymmenen prosenttia koko hahmon pinta-alasta. Esimerkki: ikkunat tavallisten kerrostalojen huoneistoissa. Siksi ne näyttävät mustilta.
Rayleigh-farkut
Tämä kaava kuvaa mustan kappaleen säteilyä, joka perustuu vain klassisen fysiikan käytettävissä oleviin tietoihin:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, missä
u on vain energian valoisuuden spektritiheys, ω on säteilytaajuus, kT on värähtelyenergia.
Jos aallonpituudet ovat suuria, arvot ovat uskottavia ja sopivat hyvin kokeeseen. Mutta heti kun ylitämme näkyvän säteilyn rajan ja astumme sähkömagneettisen spektrin ultraviolettialueelle, energiat saavuttavat uskomattomia arvoja. Lisäksi integroitaessa kaavaa taajuuden yli nollasta äärettömään, saadaan ääretön arvo! Tämä tosiasia paljastaa ultraviolettikatastrofin olemuksen: jos jotakin kehoa lämmitetään tarpeeksi hyvin, sen energia riittää tuhoamaan maailmankaikkeuden.
Planck ja hänen kvanttinsa
Monet tiedemiehet ovat yrittäneet kiertää tätä paradoksia. Läpimurto johti tieteen ulos umpikujasta, melkein intuitiivinen askel tuntemattomaan. Planckin hypoteesi auttoi voittamaan ultraviolettikatastrofin paradoksin. Planckin kaava mustan kappaleen säteilyn taajuusjakaumasta sisälsi käsitteen"kvantti". Tiedemies itse määritteli sen järjestelmän hyvin pieneksi yksittäiseksi toiminnaksi ympäröivään maailmaan. Nyt kvantti on joidenkin fysikaalisten suureiden pienin jakamaton osa.
Kvantteja on monissa muodoissa:
- sähkömagneettinen kenttä (fotoni, myös sateenkaaressa);
- vektorikenttä (gluoni määrittää vahvan vuorovaikutuksen olemassaolon);
- gravitaatiokenttä (gravitoni on edelleen puhtaasti hypoteettinen hiukkanen, joka on laskelmissa, mutta sitä ei ole vielä löydetty kokeellisesti);
- Higgsin kentät (Higgsin bosoni löydettiin kokeellisesti ei niin kauan sitten Suuresta hadronitörmäyttimestä, ja jopa tieteestä kaukana olevat ihmiset iloitsivat sen löydöstä);
- kiinteän kappaleen (fononin) hilan atomien synkroninen liike.
Schrödingerin kissa ja Maxwellin demoni
Kvantin löytäminen johti erittäin merkittäviin seurauksiin: syntyi täysin uusi fysiikan haara. Kvanttimekaniikka, optiikka, kenttäteoria aiheuttivat tieteellisten löytöjen räjähdyksen. Tunnetut tiedemiehet löysivät tai kirjoittivat uudelleen lakeja. Alkuainehiukkasten järjestelmien kvantisointi auttoi selittämään, miksi Maxwell-demonia ei voi olla olemassa (itse asiassa on ehdotettu jopa kolmea selitystä). Max Planck itse ei kuitenkaan hyväksynyt löytönsä perustavanlaatuista luonnetta kovin pitkään. Hän uskoi, että kvantti on kätevä matemaattinen tapa ilmaista tietty ajatus, mutta ei sen enempää. Lisäksi tiedemies nauroi uusien fyysikkojen koululle. Siksi M. Planck keksi ratkaisemattoman paradoksin, kuten hänestä näyttiSchrödingerin kissasta. Petoköyhä oli elossa ja kuollut yhtä aikaa, mitä on mahdotonta kuvitella. Mutta sellaisellekin tehtävälle on varsin selkeä selitys kvanttifysiikan puitteissa, ja suhteellisen nuori tiede itsekin vaeltelee jo planeetan halki voimalla.
