Danas ćemo govoriti o suštini takvog koncepta kao što je "ultraljubičasta katastrofa": zašto se pojavio ovaj paradoks i postoje li načini da se on riješi.
Klasična fizika
Prije pojave kvanta, svijetom prirodnih nauka dominirala je klasična fizika. Naravno, matematika se oduvijek smatrala glavnom. Međutim, algebra i geometrija se najčešće koriste kao primijenjene nauke. Klasična fizika istražuje kako se tijela ponašaju kada su zagrijana, proširena i udarena. Opisuje transformaciju energije iz kinetičke u unutrašnju, govori o konceptima kao što su rad i snaga. Upravo u ovoj oblasti je nastao odgovor na pitanje kako je nastala ultraljubičasta katastrofa u fizici.
U jednom trenutku, svi ovi fenomeni su bili tako dobro proučeni da se činilo da nema više šta da se otkrije! Došlo je do toga da je talentovanim mladim ljudima savjetovano da idu kod matematičara ili biologa, jer su proboji mogući samo u ovim oblastima nauke. Ali ultraljubičasta katastrofa i usklađivanje prakse sa teorijom dokazali su pogrešnost takvih ideja.
Toplotno zračenje
Klasična fizika i paradoksi nisu bili uskraćeni. Na primjer, toplotno zračenje su kvanti elektromagnetnog polja koji nastaju u zagrijanim tijelima. Unutrašnja energija se pretvara u svjetlost. Prema klasičnoj fizici, zračenje zagrijanog tijela je kontinuirani spektar, a njegov maksimum ovisi o temperaturi: što je niže očitanje termometra, to je najintenzivnija svjetlost "crvenija". Sada ćemo se direktno približiti onome što se zove ultraljubičasta katastrofa.
Terminator i termalno zračenje
Primer toplotnog zračenja su zagrejani i rastopljeni metali. Filmovi o terminatorima često sadrže industrijske objekte. U najdirljivijem drugom dijelu epa, gvozdena mašina uranja u kadu od gvožđa koje žubori. A ovo jezero je crveno. Dakle, ova nijansa odgovara maksimalnom zračenju livenog gvožđa sa određenom temperaturom. To znači da takva vrijednost nije najveća od svih mogućih, jer crveni foton ima najmanju valnu dužinu. Vrijedi zapamtiti: tečni metal zrači energiju u infracrvenom, vidljivom i ultraljubičastom području. Samo postoji vrlo malo fotona osim crvenih.
Savršeno crno tijelo
Da bi se dobila spektralna gustina snage zračenja zagrijane supstance, koristi se aproksimacija crnog tijela. Termin zvuči zastrašujuće, ali u stvari je vrlo koristan u fizici i nije tako rijedak u stvarnosti. Dakle, potpuno crno tijelo je predmet koji ne “oslobađa” predmete koji su mu pali.fotoni. Štaviše, njegova boja (spektar) ovisi o temperaturi. Gruba aproksimacija potpuno crnog tijela bila bi kocka, na čijoj se jednoj strani nalazi rupa manja od deset posto površine cijele figure. Primjer: prozori u stanovima običnih visokih zgrada. Zato izgledaju crne.
Rayleigh-Jeans
Ova formula opisuje zračenje crnog tijela, samo na osnovu podataka dostupnih klasičnoj fizici:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, gdje
u je samo spektralna gustina energetske luminoznosti, ω je frekvencija zračenja, kT je energija vibracije.
Ako su talasne dužine velike, tada su vrednosti verodostojne i dobro se slažu sa eksperimentom. Ali čim prijeđemo liniju vidljivog zračenja i uđemo u ultraljubičastu zonu elektromagnetnog spektra, energije dostižu nevjerovatne vrijednosti. Osim toga, kada se integrira formula preko frekvencije od nule do beskonačnosti, dobiva se beskonačna vrijednost! Ova činjenica otkriva suštinu ultraljubičaste katastrofe: ako se neko tijelo dovoljno zagrije, njegova energija će biti dovoljna da uništi svemir.
Planck i njegov kvant
Mnogi naučnici su pokušali da zaobiđu ovaj paradoks. Proboj je izveo nauku iz ćorsokaka, gotovo intuitivnim korakom u nepoznato. Planckova hipoteza pomogla je da se prevaziđe paradoks ultraljubičaste katastrofe. Plankova formula za distribuciju frekvencije zračenja crnog tijela sadržavala je koncept"kvantni". Sam naučnik je to definisao kao veoma malu pojedinačnu akciju sistema na okolni svet. Sada je kvant najmanji nedjeljivi dio nekih fizičkih veličina.
Kvante dolaze u mnogo oblika:
- elektromagnetno polje (foton, uključujući i dugu);
- vektorsko polje (gluon određuje postojanje jake interakcije);
- gravitacijsko polje (graviton je još uvijek čisto hipotetička čestica, koja je u proračunima, ali još nije eksperimentalno pronađena);
- Higgsova polja (Higsov bozon je eksperimentalno otkriven ne tako davno u Velikom hadronskom sudaraču, pa su se njegovom otkriću radovali čak i ljudi veoma udaljeni od nauke);
- sinhrono kretanje atoma rešetke čvrstog tijela (fonon).
Schrödingerova mačka i Maxwellov demon
Otkriće kvanta dovelo je do vrlo značajnih posljedica: stvorena je fundamentalno nova grana fizike. Kvantna mehanika, optika, teorija polja izazvali su eksploziju naučnih otkrića. Eminentni naučnici su otkrili ili prepisali zakone. Činjenica kvantizacije sistema elementarnih čestica pomogla je da se objasni zašto Maksvelov demon ne može da postoji (u stvari, predložena su čak tri objašnjenja). Međutim, sam Max Planck dugo vremena nije prihvatio fundamentalnu prirodu svog otkrića. Vjerovao je da je kvant zgodan matematički način da se izrazi određena misao, ali ne više. Štaviše, naučnik se smijao školi novih fizičara. Stoga je M. Planck došao do nerešivog, kako mu se činilo, paradoksao Schrödingerovoj mački. Jadna zvijer bila je i živa i mrtva u isto vrijeme, što je nemoguće zamisliti. Ali čak i takav zadatak ima sasvim jasno objašnjenje u okviru kvantne fizike, a sama relativno mlada nauka već uveliko korača preko planete.
