Ultravijolična katastrofa: definicija, bistvo in interpretacija

Danes se bomo pogovarjali o bistvu takšne stvari kot "ultravijolične katastrofe": zakaj se je pojavil ta paradoks in ali obstajajo načini za njegovo rešitev.

Klasična fizika

Pred pojavom kvantuma v naravoslovnem svetu je klasična fizika vladala vrhovno. Seveda je glavna stvar vedno veljala za matematiko. Vendar se algebra in geometrija najpogosteje uporabljata kot uporabna znanost. Klasična fizika raziskuje, kako se telo ob ogrevanju, širjenju, presenetenju obnaša. Opisuje preobrazbo energije iz kinetične v notranjost, govori o konceptih, kot sta delo in moč. Na tem področju je odgovor na vprašanje, kako se je pojavila ultravijolična katastrofa v fiziki.

Na neki točki so bili vsi ti pojavi tako temeljito raziskani, da se je zdelo, da ni bilo nič več, da bi odkrili! Dosegli so točko, da je nadarjenim mladim svetoval, naj gredo na matematiko ali biologijo, saj so prodori možni le na teh področjih znanosti. Ampak ultravijolična katastrofa in soglasje o praksi s teorijo sta dokazali pomanjkanje takšnih predstavitev.

Toplotno sevanje

Ni bila prikrajšana za klasično fiziko in paradokse. Na primer, toplotno sevanje je kvanta elektromagnetnega polja, ki nastane v ogrevanih telesih. Notranja energija se spremeni v svetlobo. Glede na klasično fiziko je sevanje ogretega telesa kontinuirni spekter in njegov maksimum je odvisen od temperature: manjša je odčitavanje termometra, "redder" je najbolj intenzivna svetloba. Zdaj bomo prišli do tisto, kar se imenuje ultravijolična katastrofa.

Terminator in toplotno sevanje

Primer toplotnega sevanja segrejemo in raztalimo kovine. V filmih o Terminatorju se pogosto pojavljajo industrijski predmeti. V najbolj dotikajočem se drugem delu epske je stroj za železo potopljen v kopel z žlico litega železa. In to jezero ima rdečo barvo. Torej, ta odtenek ustreza največjemu sevanju litega železa z določeno temperaturo. To pomeni, da takšna vrednost ni najvišja možna, ker rdeči foton ima najkrajšo valovno dolžino. Treba je spomniti: tekoča kovina oddaja energijo tako v infrardečem kot v vidnem in v ultravijoličnem. Le tu so fotoni, ki so drugačni od rdečih, zelo malo.

Absolutno črno telo

Za pridobitev spektralne gostote moči segretega materiala se uporablja približevanje črnega telesa. Izraz straši, vendar je v resnici zelo koristen v fiziki in v resnici ni tako redek. Torej, absolutno črno telo je predmet, ki ne "sprosti" fotone, ki so prišli k njemu. Hkrati je njegova barva (spekter) odvisna od temperature. Groba aproksimacija absolutno črnega telesa bo kocka, katere ena stran ima luknjo manj kot deset odstotkov površine celotne slike. Primer: okna v stanovanjih konvencionalnih večnadstropnih stavb. Zato so videti črne.

Rayleigh-Jeans zakon

Ta formula opisuje emisijo absolutno črnega telesa, ki se opira le na podatke, ki so na voljo klasični fiziki:

• u (omega-, T) = kTomega-²/ pi-²c³, kjer
  u je le spektralna gostota energetske svetlosti,
  Omega je frekvenca sevanja,
  kT je energija nihanja.

Če so valovne dolžine velike, so vrednosti verjetne in se dobro strinjajo z eksperimentom. Toda takoj, ko prečkamo črto vidnega sevanja in vstopimo v ultravijolični pas elektromagnetnega spektra, energija doseže neverjetne vrednosti. Poleg tega integracija formule nad frekvenco od nič do neskončnosti daje neskončno vrednost! To dejstvo razkriva bistvo ultravijolične katastrofe: če je telo dovolj dobro segreto, bo njegova energija dovolj, da uniči vesolje.

Planck in njegov kvant

Mnogi znanstveniki so se poskušali izogniti ta paradoks. Znanost je prinesla iz zastoja, preboj, skoraj intuitiven korak v neznano. Pomagal sem premagati paradoks ultravijolične nesreče Planckova hipoteza. Planckova formula za porazdelitev frekvenc sevanja absolutno črnega telesa je vsebovala pojem "kvantni". Znanstvenik sam je opredelil kot zelo majhno enoto delovanja sistema v okoliškem svetu. Zdaj je kvantni najmanjši nedeljiv del nekaterih fizičnih veličin.

Quanta prihajajo v različnih oblikah:

• Elektromagnetno polje (foton, tudi v mavrici);
• vektorsko polje (gluon določa obstoj močne interakcije);
• gravitacijsko polje (graviton je še vedno povsem hipotetičen delec, ki je v izračunih, vendar še ni bil odkrit eksperimentalno);
• Higgsova polja (Higgsov bozon ni bil tako dolgo nazaj eksperimentalno odkrit v velikem hadroničnem kolajdu, njeno odkritje pa so ga veseli tudi ljudje, ki so bili zelo daleč od znanosti);
• sinhrono gibanje atrijskih mrežastih trdnih snovi (fonon).

Schrodingerjeva mačka in demon Maxwella

Odkritje kvantuma je privedlo do zelo pomembnih posledic: nastala je povsem nova veja fizike. Kvantna mehanika, optika, teorija polja povzročila eksplozijo znanstvenih odkritij. Izjemni znanstveniki so odkrili ali prepisali zakone. Dejstvo kvantizacije sistemov osnovnih delcev je pomagalo pojasniti, zakaj Maxwellov demon ne more obstajati (v resnici so predlagane tri razlage). Vendar pa Max Planck že dolgo časa ni sprejel temeljne narave njegovega odkritja. Verjel je, da je kvantni primeren matematični način izražanja misli, vendar ne več. Poleg tega se je znanstvenik smejal v šoli novih fizikov. Zato je M. Planck izumil nerazrešljiv, kot se mu zdi, paradoks o mački Schrödinger. Slaba žival je bila živa in mrtva hkrati, ki je ni mogoče zamisliti. Toda taka naloga ima povsem jasno razlago v okviru kvantne fizike, relativno mlada znanost pa se že s planom in glavnim že ujema po planetu.