Ultravioletna katastrofa: definicija, suština i interpretacija

Danas ćemo govoriti o bitu takve stvari kao "ultraljubičastu katastrofu": zašto se ovaj paradoks pojavio i da li postoje načini za njegovo rješavanje.

Klasična fizika

Prije pojave kvantnog u svijetu prirodnih znanosti klasična fizika vladala je vrhovnim. Naravno, glavna stvar uvijek smatra matematikom. Međutim, algebra i geometrija najčešće se koriste kao primijenjene znanosti. Klasična fizika istražuje kako se tijelo ponaša kada se zagrije, širi i udari. Opisuje transformaciju energije s kinetičkog na unutarnje, govori o pojmovima kao što su rad i moć. U ovom je području odgovor na pitanje kako je nastao ultraljubičasti katastrofa u fizici.

U jednom trenutku sve su te fenomene bile toliko temeljito proučavane da se činilo da nema više otkrivanja! Došlo je do točke da su talentirani mladi ljudi savjetovali da idu u matematiku ili biologiju, budući da su proboji mogući samo u tim područjima znanosti. Ali ultraljubičasto katastrofe i suglasnost prakse s teorijom dokazali su pogrešku takvih prikaza.

Toplinsko zračenje

Nije lišena klasične fizike i paradoksa. Na primjer, toplinsko zračenje je kvantna elektromagnetsko polje koje se javlja u grijanim tijelima. Unutarnja energija se pretvara u svjetlo. Prema klasičnoj fizici, zračenje grijanog tijela je kontinuirani spektar, a maksimum ovisi o temperaturi: manji je toplomjer očitanja, "crveniji" najintenzivniji svjetlost. Sad ćemo izravno doći do onoga što se naziva ultraljubičastom katastrofom.

Terminator i toplinsko zračenje

Primjer toplinskog zračenja se zagrijava i rastopljeni metali. U filmovima o Terminatoru pojavljuju se industrijski objekti. U najdjelotvornijem drugom dijelu epa, željezni stroj uronjen je u kupelj gurgling lijevanog željeza. Ovo jezero ima crvenu boju. Dakle, ova sjena odgovara maksimalnom zračenju od lijevanog željeza s određenom temperaturom. To znači da takva vrijednost nije najviša od svega što je moguće, jer crveni foton ima najkraću valnu duljinu. Važno je zapamtiti: tekući metal emitira energiju kako u infracrvenom tako iu vidljivom iu ultraljubičastom. Samo ovdje su fotoni različiti od crvenih, vrlo malo.

Apsolutno crno tijelo

Da bi se dobila gustoća spektralne snage zagrijane tvari, koristi se aproksimacija crnog tijela. Izraz zvuči zastrašujuće, ali zapravo je vrlo koristan u fizici i nije tako rijedak u stvarnosti. Dakle, apsolutno crno tijelo je objekt koji ne "oslobađa" fotone koji su došli do njega. Istovremeno, njegova boja (spektar) ovisi o temperaturi. Gruba aproksimacija apsolutno crnog tijela bit će kocka, od kojih jedna strana ima rupu manju od deset posto površine cijele figure. Primjer: prozori u stanovima konvencionalnih višekatnih zgrada. Zato izgledaju crne.

Rayleigh-Jeans zakon

Ova formula opisuje emisiju apsolutno crnog tijela, oslanjajući se samo na podatke dostupne klasičnoj fizici:

• u (omega-, T) = kTomega-²/ pi-²c³, gdje
  u je samo spektralna gustoća energetske svjetlosti,
  omega- je frekvencija zračenja,
  kT je energija oscilacije.

Ako su valne duljine velike, tada su vrijednosti prihvatljive i slažu se s eksperimentom. Ali čim prijeđemo liniju vidljivog zračenja i uđemo u ultraljubičasti pojas elektromagnetskog spektra, energija doseže nevjerojatne vrijednosti. Osim toga, integriranje formule preko frekvencije od nula do beskonačnosti daje beskonačnu vrijednost! Ta činjenica otkriva suštinu ultraljubičaste katastrofe: ako se tijelo zagrijava dovoljno dobro, njegova će energija biti dovoljna da uništi svemir.

Planck i njegov kvant

Mnogi su znanstvenici pokušali zaobići ovaj paradoks. Donio je znanost iz slijepe ulice, proboj, gotovo intuitivan korak u nepoznato. Pomogao je prevladati paradoks ultravioletne katastrofe Planckova hipoteza. Planckova formula za raspodjelu frekvencija zračenja apsolutno crnog tijela sadržavala je koncept "kvantnog". Znanstvenik ga je sam definirao kao vrlo malu jedinicu djelovanja sustava na okolnom svijetu. Sada je kvant najmanji nedjeljivi dio nekih fizičkih veličina.

Quanta dolazi u različitim oblicima:

• Elektromagnetsko polje (foton, uključujući u dugu);
• polje vektora (gluon određuje postojanje snažne interakcije);
• gravitacijsko polje (graviton je još uvijek čisto hipotetska čestica, koja je u izračunima, ali još uvijek nije pronađena eksperimentalno);
• Higgsove polja (Higgsov boson, ne tako davno, eksperimentalno je otkriven u velikom hadičkom sudaru, a otkriće je bilo zadovoljno i ljudima daleko od znanosti);
• sinkronog gibanja rešetkastih atoma krutog (phonon).

Schrodingerova mačka i Maxwellov demon

Otkriće kvantnosti dovelo je do vrlo značajnih posljedica: stvorena je posve nova grana fizike. Kvantna mehanika, optika, teorija polja izazvala je eksploziju znanstvenih otkrića. Izvanredni učenjaci otkrili su ili prepisali zakone. Činjenica kvantiziranja elementarnih čestica pomogla je objasniti zašto Maxwellov demon ne može postojati (zapravo, predložena su tri objašnjenja). Međutim, Max Planck sam već dugo nije prihvatio temeljnu prirodu njegovog otkrića. Vjerovao je da je kvantan prikladan matematički način izražavanja misli, ali ne više. Štoviše, znanstvenik se smijao školi novih fizičara. Stoga je M. Planck izumio nerješiv, kao što mu se činilo, paradoks o mačiću Schrödingeru. Siromašna životinja bila je živa i mrtva u isto vrijeme kad je nemoguće zamisliti. Ali takav zadatak ima potpuno jasno objašnjenje u okviru kvantne fizike, a sama relativno mlada znanost već strpljivo planira planetom sa silom i glavom.