I dag vil vi tale om essensen af et sådant koncept som "ultraviolet katastrofe": hvorfor dette paradoks dukkede op, og om der er måder at løse det på.
Klassisk fysik
Før fremkomsten af kvante, var naturvidenskabens verden domineret af klassisk fysik. Selvfølgelig har matematik altid været betragtet som den vigtigste. Algebra og geometri bruges dog oftest som anvendte videnskaber. Klassisk fysik udforsker, hvordan kroppe opfører sig, når de opvarmes, udvides og rammes. Den beskriver transformationen af energi fra kinetisk til intern, taler om begreber som arbejde og magt. Det er i dette område, at svaret på spørgsmålet om, hvordan den ultraviolette katastrofe i fysikken opstod.
På et tidspunkt blev alle disse fænomener så godt undersøgt, at det så ud til, at der ikke var mere at opdage! Det kom til det punkt, at talentfulde unge mennesker blev rådet til at gå til matematikere eller biologer, da gennembrud kun er mulige på disse områder af videnskaben. Men den ultraviolette katastrofe og harmoniseringen af praksis med teori beviste fejltagelsen af sådanne ideer.
Varmestråling
Klassisk fysik og paradokser blev ikke frataget. For eksempel er termisk stråling kvanta af det elektromagnetiske felt, der opstår i opvarmede legemer. Intern energi bliver til lys. Ifølge klassisk fysik er strålingen fra et opvarmet legeme et kontinuerligt spektrum, og dets maksimum afhænger af temperaturen: Jo lavere termometeraflæsningen er, jo "rødere" er det mest intense lys. Nu vil vi direkte nærme os det, der kaldes den ultraviolette katastrofe.
Terminator og termisk stråling
Et eksempel på termisk stråling er opvarmede og smeltede metaller. Terminatorfilm indeholder ofte industrielle faciliteter. I den mest rørende anden del af eposet kaster jernmaskinen sig ned i et bad af klukkende støbejern. Og denne sø er rød. Så denne skygge svarer til den maksimale stråling af støbejern med en bestemt temperatur. Det betyder, at en sådan værdi ikke er den højeste af alle mulige, fordi den røde foton har den mindste bølgelængde. Det er værd at huske: flydende metal udstråler energi i det infrarøde og i det synlige og i det ultraviolette område. Kun der er meget få fotoner ud over røde.
Perfekt sort krop
For at opnå den spektrale effekttæthed af strålingen fra et opvarmet stof, bruges den sorte kropstilnærmelse. Udtrykket lyder skræmmende, men faktisk er det meget nyttigt i fysik og er ikke så sjældent i virkeligheden. Så en helt sort krop er en genstand, der ikke "frigiver" de genstande, der er faldet til den.fotoner. Desuden afhænger dens farve (spektrum) af temperaturen. En grov tilnærmelse af en helt sort krop ville være en terning, i den ene side af hvilken der er et hul mindre end ti procent af hele figurens areal. Eksempel: vinduer i lejligheder i almindelige højhuse. Det er derfor, de fremstår sorte.
Rayleigh-Jeans
Denne formel beskriver strålingen fra en sort krop, kun baseret på data, der er tilgængelige for klassisk fysik:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, hvor
u er kun den spektrale tæthed af energiens lysstyrke, ω er strålingsfrekvensen, kT er vibrationsenergien.
Hvis bølgelængderne er store, så er værdierne plausible og stemmer godt overens med eksperimentet. Men så snart vi krydser linjen af synlig stråling og går ind i den ultraviolette zone af det elektromagnetiske spektrum, når energierne utrolige værdier. Når formlen integreres over frekvens fra nul til uendelig, opnås der desuden en uendelig værdi! Denne kendsgerning afslører essensen af den ultraviolette katastrofe: Hvis en krop opvarmes godt nok, vil dens energi være nok til at ødelægge universet.
Planck og hans kvante
Mange videnskabsmænd har forsøgt at omgå dette paradoks. Et gennembrud førte videnskaben ud af dødvandet, et næsten intuitivt skridt ud i det ukendte. Plancks hypotese hjalp med at overvinde paradokset ved den ultraviolette katastrofe. Plancks formel for frekvensfordelingen af sort kropsstråling indeholdt konceptet"kvante". Videnskabsmanden selv definerede det som en meget lille enkelt handling af systemet på den omgivende verden. Nu er et kvante den mindste udelelige del af nogle fysiske mængder.
Kvanter kommer i mange former:
- elektromagnetisk felt (foton, inklusive i en regnbue);
- vektorfelt (gluon bestemmer eksistensen af stærk interaktion);
- gravitationsfelt (graviton er stadig en rent hypotetisk partikel, som er med i beregningerne, men den er endnu ikke fundet eksperimentelt);
- Higgs-felter (Higgs-bosonen blev eksperimentelt opdaget for ikke så længe siden i Large Hadron Collider, og selv folk meget langt fra videnskaben glædede sig over dens opdagelse);
- synkron bevægelse af atomer i gitteret af et fast legeme (fonon).
Schrödingers kat og Maxwells dæmon
Opdagelsen af kvantemet førte til meget betydelige konsekvenser: en fundament alt ny gren af fysikken blev skabt. Kvantemekanik, optik, feltteori forårsagede en eksplosion af videnskabelige opdagelser. Fremtrædende videnskabsmænd opdagede eller omskrev love. Faktum om kvantisering af systemer af elementarpartikler hjalp med at forklare, hvorfor Maxwell-dæmonen ikke kan eksistere (faktisk er så mange som tre forklaringer blevet foreslået). Men Max Planck selv accepterede ikke den grundlæggende karakter af sin opdagelse i meget lang tid. Han mente, at et kvante er en bekvem matematisk måde at udtrykke en bestemt tanke på, men ikke mere. Desuden lo videnskabsmanden af skolen for nye fysikere. Derfor kom M. Planck med et uløseligt, som det forekom ham, paradoksom Schrödingers kat. Det stakkels udyr var både levende og dødt på samme tid, hvilket er umuligt at forestille sig. Men selv sådan en opgave har en ganske klar forklaring inden for kvantefysikkens rammer, og selve den relativt unge videnskab skrider allerede over planeten med magt og kræfter.
