Днес ще говорим за същността на такова понятие като "ултравиолетова катастрофа": защо се появи този парадокс и има ли начини за разрешаването му.
Класическа физика
Преди появата на кванта светът на естествените науки е доминиран от класическата физика. Разбира се, математиката винаги се е смятала за основна. Алгебрата и геометрията обаче най-често се използват като приложни науки. Класическата физика изследва как телата се държат при нагряване, разширяване и удар. Той описва трансформацията на енергията от кинетична във вътрешна, говори за такива понятия като работа и мощност. Именно в тази област се появи отговорът на въпроса как възникна ултравиолетовата катастрофа във физиката.
В един момент всички тези явления бяха толкова добре проучени, че изглеждаше, че няма какво повече да се открие! Стигна се дотам, че талантливите млади хора бяха посъветвани да отидат при математици или биолози, тъй като пробивите са възможни само в тези области на науката. Но ултравиолетовата катастрофа и хармонизирането на практиката с теорията доказаха погрешността на подобни идеи.
Топлинно излъчване
Класическата физика и парадоксите не бяха лишени. Например, топлинното излъчване е квантите на електромагнитното поле, които възникват в нагрети тела. Вътрешната енергия се превръща в светлина. Според класическата физика излъчването на нагрятото тяло е непрекъснат спектър и неговият максимум зависи от температурата: колкото по-ниско е показанието на термометъра, толкова "по-червена" е най-интензивната светлина. Сега ще се доближим директно до това, което се нарича ултравиолетова катастрофа.
Терминатор и топлинно излъчване
Пример за топлинно излъчване са нагрятите и разтопените метали. Филмите за Терминатор често включват промишлени съоръжения. В най-трогателната втора част на епоса желязната машина се потапя във вана от бълбукащ чугун. И това езеро е червено. Така че този нюанс съответства на максималното излъчване на чугун с определена температура. Това означава, че такава стойност не е най-високата от всички възможни, тъй като червеният фотон има най-малката дължина на вълната. Струва си да запомните: течният метал излъчва енергия в инфрачервената, видимата и ултравиолетовата област. Само че има много малко фотони, различни от червени.
Перфектно черно тяло
За да се получи спектралната плътност на мощността на излъчването на нагрето вещество, се използва приближението на черното тяло. Терминът звучи страшно, но всъщност е много полезен във физиката и не е толкова рядък в действителност. И така, напълно черно тяло е обект, който не „освобождава“предметите, които са паднали върху него.фотони. Освен това неговият цвят (спектър) зависи от температурата. Грубо приближение на напълно черно тяло би било куб, в едната страна на който има дупка, по-малка от десет процента от площта на цялата фигура. Пример: прозорци в апартаменти на обикновени високи сгради. Ето защо изглеждат черни.
Rayleigh-Jeans
Тази формула описва излъчването на черно тяло въз основа само на наличните данни за класическата физика:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, където
u е просто спектралната плътност на енергийната осветеност, ω е честотата на излъчване, kT е енергията на вибрациите.
Ако дължините на вълните са големи, тогава стойностите са правдоподобни и се съгласуват добре с експеримента. Но щом пресечем линията на видимото излъчване и влезем в ултравиолетовата зона на електромагнитния спектър, енергиите достигат невероятни стойности. Освен това при интегриране на формулата по честота от нула до безкрайност се получава безкрайна стойност! Този факт разкрива същността на ултравиолетовата катастрофа: ако някое тяло се нагрее достатъчно добре, неговата енергия ще бъде достатъчна, за да унищожи Вселената.
Планк и неговият квант
Много учени са се опитали да заобиколят този парадокс. Един пробив изведе науката от задънената улица, почти интуитивна стъпка към неизвестното. Хипотезата на Планк помогна за преодоляването на парадокса на ултравиолетовата катастрофа. Формулата на Планк за честотното разпределение на излъчването на черното тяло съдържа концепцията"квант". Самият учен го определя като много малко единично действие на системата върху околния свят. Сега квантът е най-малката неделима част от някои физически величини.
Quants идват в много форми:
- електромагнитно поле (фотон, включително в дъга);
- векторно поле (глуонът определя наличието на силно взаимодействие);
- гравитационно поле (гравитонът все още е чисто хипотетична частица, която е в изчисленията, но все още не е открита експериментално);
- Полета на Хигс (бозонът на Хигс беше открит експериментално не толкова отдавна в Големия адронен колайдер и дори хора, много далеч от науката, се зарадваха на откритието му);
- синхронно движение на атоми от решетката на твърдо тяло (фонон).
Котката на Шрьодингер и демонът на Максуел
Откриването на кванта доведе до много значими последици: беше създаден принципно нов клон на физиката. Квантовата механика, оптиката, теорията на полето предизвикаха експлозия от научни открития. Изтъкнати учени откриха или пренаписаха закони. Фактът на квантуване на системи от елементарни частици помогна да се обясни защо демонът на Максуел не може да съществува (всъщност са предложени цели три обяснения). Самият Макс Планк обаче не приема фундаменталния характер на своето откритие много дълго време. Той вярвал, че квантът е удобен математически начин за изразяване на определена мисъл, но не повече. Освен това ученият се смееше на училището на новите физици. Затова М. Планк измисли неразрешим, както му се струваше, парадоксза котката на Шрьодингер. Горкият звяр беше едновременно жив и мъртъв, което е невъзможно да си представим. Но дори и такава задача има доста ясно обяснение в рамките на квантовата физика, а самата сравнително млада наука вече крачи по цялата планета с мощ и глави.
