Šiandien kalbėsime apie tokios sąvokos kaip „ultravioletinė katastrofa“esmę: kodėl atsirado šis paradoksas ir ar yra būdų jį išspręsti.
Klasikinė fizika
Prieš kvantų atsiradimą gamtos mokslų pasaulyje dominavo klasikinė fizika. Žinoma, matematika visada buvo laikoma pagrindine. Tačiau algebra ir geometrija dažniausiai naudojami kaip taikomieji mokslai. Klasikinė fizika tiria, kaip kūnai elgiasi kaitinant, plečiantis ir atsitrenkus. Jame aprašomas energijos virsmas iš kinetinės į vidinę, kalbama apie tokias sąvokas kaip darbas ir galia. Būtent šioje srityje galima rasti atsakymą į klausimą, kaip atsirado ultravioletinė fizikos katastrofa.
Kažkuriuo metu visi šie reiškiniai buvo taip gerai ištirti, kad atrodė, kad daugiau nėra ką atrasti! Taip atsitiko, kad talentingiems jauniems žmonėms buvo patarta eiti pas matematikus ar biologus, nes tik šiose mokslo srityse galimi proveržiai. Tačiau ultravioletinė katastrofa ir praktikos derinimas su teorija įrodė tokių idėjų klaidingumą.
Šilumos spinduliuotė
Klasikinė fizika ir paradoksai nebuvo atimti. Pavyzdžiui, šiluminė spinduliuotė yra elektromagnetinio lauko kvantas, atsirandantis šildomuose kūnuose. Vidinė energija virsta šviesa. Pagal klasikinę fiziką įkaitusio kūno spinduliuotė yra nenutrūkstamas spektras, o jos maksimumas priklauso nuo temperatūros: kuo žemesnis termometro rodmuo, tuo „raudonesnė“intensyviausia šviesa. Dabar tiesiogiai priartėsime prie vadinamosios ultravioletinės katastrofos.
Terminatorius ir šiluminė spinduliuotė
Šiluminės spinduliuotės pavyzdys yra kaitinami ir išlydyti metalai. Terminatoriaus filmuose dažnai yra pramoninių objektų. Labiausiai jaudinančioje antroje epo dalyje geležies mašina pasineria į šniokščiančio ketaus vonią. Ir šis ežeras raudonas. Taigi, šis atspalvis atitinka maksimalią ketaus spinduliuotę esant tam tikrai temperatūrai. Tai reiškia, kad tokia reikšmė nėra didžiausia iš visų galimų, nes raudonasis fotonas turi mažiausią bangos ilgį. Verta prisiminti: skystas metalas spinduliuoja energiją infraraudonųjų spindulių, ir matomoje, ir ultravioletinėje srityje. Tik yra labai mažai fotonų, išskyrus raudoną.
Tobulas juodas korpusas
Norint gauti kaitinamos medžiagos spinduliavimo spektrinį galios tankį, naudojamas juodojo kūno aproksimacija. Šis terminas skamba baisiai, bet iš tikrųjų jis yra labai naudingas fizikoje ir nėra toks retas realybėje. Taigi visiškai juodas kūnas yra objektas, kuris „nepaleidžia“ant jo nukritusių objektų.fotonai. Be to, jo spalva (spektras) priklauso nuo temperatūros. Apytikslis visiškai juodo kūno apytikslis vaizdas būtų kubas, kurio vienoje pusėje yra skylė, mažesnė nei dešimt procentų visos figūros ploto. Pavyzdys: langai įprastų daugiaaukščių namų butuose. Štai kodėl jie atrodo juodi.
Rayleigh-Jeans
Ši formulė apibūdina juodo kūno spinduliavimą, remiantis tik klasikinės fizikos turimais duomenimis:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, kur
u yra tik energijos šviesumo spektrinis tankis, ω yra spinduliavimo dažnis, kT yra vibracijos energija.
Jei bangos ilgiai yra dideli, tada reikšmės yra tikėtinos ir gerai sutampa su eksperimentu. Tačiau vos peržengus matomos spinduliuotės ribą patenkame į elektromagnetinio spektro ultravioletinę zoną, energijos pasiekia neįtikėtinas vertes. Be to, integruojant formulę per dažnį nuo nulio iki begalybės, gaunama begalinė reikšmė! Šis faktas atskleidžia ultravioletinės katastrofos esmę: jei koks nors kūnas pakankamai gerai šildomas, jo energijos pakaks visatai sunaikinti.
Plankas ir jo kvantas
Daugelis mokslininkų bandė apeiti šį paradoksą. Proveržis išvedė mokslą iš aklavietės, beveik intuityvus žingsnis į nežinomybę. Plancko hipotezė padėjo įveikti ultravioletinės katastrofos paradoksą. Plancko juodojo kūno spinduliuotės dažnio pasiskirstymo formulėje buvo ši koncepcija"kvantinis". Pats mokslininkas tai apibūdino kaip labai mažą vieną sistemos veiksmą supančiam pasauliui. Dabar kvantas yra mažiausia nedaloma kai kurių fizinių dydžių dalis.
Kvantos būna įvairių formų:
- elektromagnetinis laukas (fotonas, įskaitant vaivorykštėje);
- vektorinis laukas (gliuonas lemia stiprios sąveikos egzistavimą);
- gravitacinis laukas (gravitonas vis dar yra grynai hipotetinė dalelė, kuri yra skaičiavimuose, bet ji dar nebuvo rasta eksperimentiškai);
- Higso laukai (Higso bozonas buvo eksperimentiškai atrastas ne taip seniai Didžiajame hadronų greitintuve, ir net labai toli nuo mokslo žmonės džiaugėsi jo atradimu);
- sinchroninis kietojo kūno gardelės (fonono) atomų judėjimas.
Schrödingerio katė ir Maksvelo demonas
Kvanto atradimas lėmė labai reikšmingas pasekmes: buvo sukurta iš esmės nauja fizikos šaka. Kvantinė mechanika, optika, lauko teorija sukėlė mokslo atradimų sprogimą. Žymūs mokslininkai atrado arba perrašė įstatymus. Elementariųjų dalelių sistemų kvantavimo faktas padėjo paaiškinti, kodėl Maksvelo demonas negali egzistuoti (iš tikrųjų buvo pasiūlyti net trys paaiškinimai). Tačiau pats Maxas Planckas labai ilgai nesutiko su esminiu savo atradimo pobūdžiu. Jis tikėjo, kad kvantas yra patogus matematinis būdas išreikšti tam tikrą mintį, bet ne daugiau. Be to, mokslininkas juokėsi iš naujųjų fizikų mokyklos. Todėl M. Planckas sugalvojo neišsprendžiamą, kaip jam atrodė, paradoksąapie Šriodingerio katę. Vargšas žvėris buvo ir gyvas, ir miręs vienu metu, ko neįmanoma įsivaizduoti. Tačiau net ir tokia užduotis turi gana aiškų paaiškinimą kvantinės fizikos rėmuose, o pats palyginti jaunas mokslas jau veržiasi per visą planetą.
