Täna räägime sellise mõiste nagu "ultraviolettkatastroof" olemusest: miks see paradoks tekkis ja kas on võimalusi selle lahendamiseks.
Klassikaline füüsika
Enne kvantide tulekut domineeris loodusteaduste maailmas klassikaline füüsika. Muidugi on matemaatikat alati peamiseks peetud. Rakendusteadustena kasutatakse aga kõige sagedamini algebrat ja geomeetriat. Klassikaline füüsika uurib, kuidas kehad käituvad kuumutamisel, paisumisel ja löömisel. See kirjeldab energia muutumist kineetilisest sisemiseks, räägib sellistest mõistetest nagu töö ja jõud. Just selles valdkonnas saab vastuse küsimusele, kuidas füüsikas ultraviolettkiirguse katastroof tekkis.
Mingil hetkel olid kõik need nähtused nii hästi läbi uuritud, et tundus, et enam polegi midagi avastada! Asi jõudis selleni, et andekatel noortel soovitati minna matemaatikute või bioloogide juurde, sest läbimurded on võimalikud ainult nendes teadusvaldkondades. Kuid ultraviolettkiirguse katastroof ja praktika ühtlustamine teooriaga tõestasid selliste ideede ekslikkust.
Soojuskiirgus
Klassikaline füüsika ja paradoksid ei jäänud ilma. Näiteks soojuskiirgus on kuumutatud kehades tekkiva elektromagnetvälja kvantid. Sisemine energia muutub valguseks. Klassikalise füüsika järgi on kuumutatud keha kiirgus pidev spekter ja selle maksimum sõltub temperatuurist: mida madalam on termomeetri näit, seda “punasem” on kõige intensiivsem valgus. Nüüd läheneme otse sellele, mida nimetatakse ultraviolettkatastroofiks.
Terminaator ja soojuskiirgus
Soojuskiirguse näide on kuumutatud ja sulametallid. Terminaatorifilmides on sageli tööstusrajatised. Eepose kõige liigutavamas teises osas sukeldub raudmasin vuliseva malmi vanni. Ja see järv on punane. Niisiis, see varjund vastab teatud temperatuuriga malmi maksimaalsele kiirgusele. See tähendab, et selline väärtus ei ole kõigist võimalikest kõrgeim, sest punase footoni lainepikkus on kõige väiksem. Tasub meeles pidada: vedel metall kiirgab energiat infrapunases, nähtavas ja ultraviolettkiirguses. Peale punase on ainult väga vähe fotoneid.
Täiuslik must korpus
Kuumutatud aine kiirguse spektraalse võimsustiheduse saamiseks kasutatakse musta keha lähendust. Mõiste kõlab hirmutav alt, kuid tegelikult on see füüsikas väga kasulik ja tegelikkuses pole see nii haruldane. Niisiis, täiesti must keha on objekt, mis ei "vabasta" talle langenud esemeid.footonid. Pealegi sõltub selle värvus (spekter) temperatuurist. Täiesti musta keha umbkaudne lähenemine oleks kuubik, mille ühel küljel on auk vähem kui kümme protsenti kogu figuuri pindalast. Näide: aknad tavaliste kõrghoonete korterites. Seetõttu näivad need mustad.
Rayleigh-Jeans
See valem kirjeldab musta keha kiirgust, tuginedes ainult klassikalisele füüsikale kättesaadavatele andmetele:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, kus
u on lihts alt energia heleduse spektraalne tihedus, ω on kiirgussagedus, kT on vibratsioonienergia.
Kui lainepikkused on suured, on väärtused usutavad ja sobivad hästi katsega. Kuid niipea, kui ületame nähtava kiirguse piiri ja siseneme elektromagnetilise spektri ultravioletttsooni, saavutavad energiad uskumatud väärtused. Lisaks saadakse valemi integreerimisel üle sageduse nullist lõpmatuseni lõpmatu väärtus! See fakt paljastab ultraviolettkatastroofi olemuse: kui mõnda keha kuumutatakse piisav alt hästi, piisab selle energiast universumi hävitamiseks.
Planck ja tema kvant
Paljud teadlased on püüdnud selle paradoksi ümber töötada. Läbimurre viis teaduse välja ummikseisust, peaaegu intuitiivse sammu tundmatusse. Plancki hüpotees aitas ületada ultraviolettkiirguse katastroofi paradoksi. Plancki musta keha kiirguse sagedusjaotuse valem sisaldas seda mõistet"kvant". Teadlane ise määratles selle süsteemi väga väikese üksiku toimena ümbritsevale maailmale. Nüüd on kvant mõne füüsikalise suuruse väikseim jagamatu osa.
Kvante on mitmel kujul:
- elektromagnetväli (footon, ka vikerkaares);
- vektoriväli (gluoon määrab tugeva interaktsiooni olemasolu);
- gravitatsiooniväli (graviton on siiski puht alt hüpoteetiline osake, mis on arvutustes olemas, kuid seda pole veel eksperimentaalselt leitud);
- Higgsi väljad (Higgsi boson avastati eksperimentaalselt mitte nii kaua aega tagasi suures hadronite põrgatis ja isegi teadusest väga kaugel olevad inimesed rõõmustasid selle avastamise üle);
- tahke keha (fononi) võre aatomite sünkroonne liikumine.
Schrödingeri kass ja Maxwelli deemon
Kvanti avastamine tõi kaasa väga märkimisväärsed tagajärjed: loodi põhimõtteliselt uus füüsikaharu. Kvantmehaanika, optika, väljateooria põhjustasid teaduslike avastuste plahvatuse. Väljapaistvad teadlased avastasid või kirjutasid ümber seadused. Elementaarosakeste süsteemide kvantiseerimise fakt aitas selgitada, miks Maxwelli deemon ei saa eksisteerida (tegelikult on välja pakutud kolm seletust). Max Planck ise ei tunnistanud aga väga pikka aega oma avastuse fundamentaalset olemust. Ta uskus, et kvant on mugav matemaatiline viis teatud mõtte väljendamiseks, kuid mitte enam. Pealegi naeris teadlane uute füüsikute kooli üle. Seetõttu mõtles M. Planck välja lahendamatu, nagu talle tundus, paradoksiSchrödingeri kassi kohta. Vaene metsaline oli korraga nii elus kui surnud, mida on võimatu ette kujutada. Kuid isegi sellisel ülesandel on kvantfüüsika raames üsna selge seletus ja suhteliselt noor teadus ise sihib juba jõuliselt mööda planeeti.
