I dag skal vi snakke om essensen av et slikt konsept som "ultrafiolett katastrofe": hvorfor dette paradokset dukket opp og om det finnes måter å løse det på.
Klassisk fysikk
Før fremkomsten av kvantumet var naturvitenskapens verden dominert av klassisk fysikk. Selvfølgelig har matematikk alltid vært ansett som den viktigste. Imidlertid brukes algebra og geometri oftest som anvendte vitenskaper. Klassisk fysikk utforsker hvordan kropper oppfører seg når de varmes opp, utvides og treffes. Den beskriver transformasjonen av energi fra kinetisk til intern, snakker om begreper som arbeid og kraft. Det er i dette området svaret på spørsmålet om hvordan den ultrafiolette katastrofen i fysikk oppsto.
På et tidspunkt ble alle disse fenomenene så godt studert at det så ut til at det ikke var noe mer å oppdage! Det kom til det punktet at talentfulle unge mennesker ble rådet til å gå til matematikere eller biologer, siden gjennombrudd bare er mulig på disse områdene av vitenskapen. Men den ultrafiolette katastrofen og harmoniseringen av praksis med teori beviste feilen i slike ideer.
Varmestråling
Klassisk fysikk og paradokser ble ikke fratatt. For eksempel er termisk stråling kvanta av det elektromagnetiske feltet som oppstår i oppvarmede legemer. Intern energi blir til lys. I følge klassisk fysikk er strålingen fra en oppvarmet kropp et kontinuerlig spektrum, og dets maksimum avhenger av temperaturen: jo lavere termometeravlesning, jo "rødere" er det mest intense lyset. Nå skal vi nærme oss det som kalles den ultrafiolette katastrofen.
Terminator og termisk stråling
Et eksempel på termisk stråling er oppvarmede og smeltede metaller. Terminatorfilmer har ofte industrianlegg. I den mest rørende andre delen av eposet, stuper jernmaskinen ned i et bad med gurglende støpejern. Og denne innsjøen er rød. Så denne skyggen tilsvarer maksimal stråling av støpejern med en viss temperatur. Dette betyr at en slik verdi ikke er den høyeste av alle mulige, fordi det røde fotonet har den minste bølgelengden. Det er verdt å huske: flytende metall utstråler energi i det infrarøde, og i det synlige, og i det ultrafiolette området. Bare det er svært få andre fotoner enn røde.
Perfect black body
For å oppnå den spektrale effekttettheten til strålingen til et oppvarmet stoff, brukes den svarte kroppstilnærmingen. Begrepet høres skummelt ut, men faktisk er det veldig nyttig i fysikk og er ikke så sjeldent i virkeligheten. Så en helt svart kropp er en gjenstand som ikke "frigjør" gjenstandene som har f alt til den.fotoner. Dessuten avhenger fargen (spekteret) av temperaturen. En grov tilnærming av en helt svart kropp ville være en kube, på den ene siden av det er et hull mindre enn ti prosent av arealet til hele figuren. Eksempel: vinduer i leiligheter i vanlige høyhus. Det er derfor de fremstår som svarte.
Rayleigh-Jeans
Denne formelen beskriver strålingen fra en svart kropp, kun basert på data tilgjengelig for klassisk fysikk:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, hvor
u er bare spektr altettheten til energilysstyrken, ω er strålingsfrekvensen, kT er vibrasjonsenergien.
Hvis bølgelengdene er store, så er verdiene plausible og stemmer godt overens med eksperimentet. Men så snart vi krysser linjen med synlig stråling og går inn i den ultrafiolette sonen til det elektromagnetiske spekteret, når energiene utrolige verdier. I tillegg, når man integrerer formelen over frekvens fra null til uendelig, oppnås en uendelig verdi! Dette faktum avslører essensen av den ultrafiolette katastrofen: hvis en kropp varmes opp godt nok, vil energien være nok til å ødelegge universet.
Planck og hans kvantum
Mange forskere har forsøkt å omgå dette paradokset. Et gjennombrudd førte vitenskapen ut av blindveien, et nesten intuitivt skritt inn i det ukjente. Plancks hypotese bidro til å overvinne paradokset med den ultrafiolette katastrofen. Plancks formel for frekvensfordelingen av svart kroppsstråling inneholdt konseptet"kvante". Forskeren selv definerte det som en veldig liten enkelt handling av systemet på omverdenen. Nå er et kvantum den minste udelelige delen av noen fysiske størrelser.
Quantas kommer i mange former:
- elektromagnetisk felt (foton, inkludert i en regnbue);
- vektorfelt (gluon bestemmer eksistensen av sterk interaksjon);
- gravitasjonsfelt (graviton er fortsatt en rent hypotetisk partikkel, som er med i beregningene, men den er ennå ikke funnet eksperimentelt);
- Higgs-feltene (Higgs-bosonet ble eksperimentelt oppdaget for ikke så lenge siden i Large Hadron Collider, og til og med folk som var langt fra vitenskapen gledet seg over oppdagelsen);
- synkron bevegelse av atomer i gitteret til et fast legeme (fonon).
Schrödingers katt og Maxwells demon
Oppdagelsen av kvantemet førte til svært betydelige konsekvenser: en fundament alt ny gren av fysikk ble opprettet. Kvantemekanikk, optikk, feltteori forårsaket en eksplosjon av vitenskapelige oppdagelser. Fremstående forskere oppdaget eller omskrev lover. Faktumet med kvantisering av systemer av elementærpartikler bidro til å forklare hvorfor Maxwell-demonen ikke kan eksistere (faktisk har så mange som tre forklaringer blitt foreslått). Imidlertid aksepterte ikke Max Planck selv den grunnleggende naturen til oppdagelsen hans på veldig lenge. Han mente at et kvante er en praktisk matematisk måte å uttrykke en bestemt tanke på, men ikke mer. Dessuten lo forskeren av skolen til nye fysikere. Derfor kom M. Planck med et uløselig, slik det virket for ham, paradoksom Schrödingers katt. Det stakkars beistet var både levende og dødt på samme tid, noe som er umulig å forestille seg. Men selv en slik oppgave har en ganske klar forklaring innenfor rammen av kvantefysikk, og den relativt unge vitenskapen selv skrider allerede over planeten med kraft og krefter.
