Vandag sal ons praat oor die essensie van so 'n konsep soos "ultraviolet-katastrofe": hoekom hierdie paradoks verskyn het en of daar maniere is om dit op te los.
Klassieke fisika
Voor die koms van die kwantum is die wêreld van natuurwetenskap oorheers deur klassieke fisika. Natuurlik is wiskunde nog altyd as die hoof beskou. Algebra en meetkunde word egter meestal as toegepaste wetenskappe gebruik. Klassieke fisika ondersoek hoe liggame optree wanneer dit verhit, uitgebrei en geslaan word. Dit beskryf die transformasie van energie van kineties na intern, praat oor konsepte soos werk en krag. Dit is op hierdie gebied dat die antwoord op die vraag oor hoe die ultraviolet-ramp in fisika ontstaan het.
Op 'n stadium is al hierdie verskynsels so goed bestudeer dat dit gelyk het of daar niks meer was om te ontdek nie! Dit het tot die punt gekom dat talentvolle jongmense aangeraai is om na wiskundiges of bioloë te gaan, aangesien deurbrake slegs op hierdie gebiede van wetenskap moontlik is. Maar die ultraviolet-katastrofe en die harmonisering van praktyk met teorie het die dwaling van sulke idees bewys.
Hittestraling
Klassieke fisika en paradokse is nie ontneem nie. Termiese straling is byvoorbeeld die kwanta van die elektromagnetiese veld wat in verhitte liggame ontstaan. Interne energie verander in lig. Volgens klassieke fisika is die bestraling van 'n verhitte liggaam 'n aaneenlopende spektrum, en die maksimum daarvan hang af van temperatuur: hoe laer die termometerlesing, hoe "rooier" is die mees intense lig. Nou sal ons direk nader wat die ultraviolet-katastrofe genoem word.
Terminator en termiese bestraling
'n Voorbeeld van termiese bestraling is verhitte en gesmelte metale. Terminator-films bevat dikwels industriële fasiliteite. In die mees aangrypende tweede deel van die epos, duik die ystermasjien in 'n bad van gorgelende gietyster. En hierdie meer is rooi. Dus, hierdie skaduwee stem ooreen met die maksimum bestraling van gietyster met 'n sekere temperatuur. Dit beteken dat so 'n waarde nie die hoogste van alles moontlik is nie, want die rooi foton het die kleinste golflengte. Dit is die moeite werd om te onthou: vloeibare metaal straal energie uit in die infrarooi, en in die sigbare, en in die ultraviolet gebied. Net daar is baie min fotone behalwe rooi.
Perfekte swart lyf
Om die spektrale drywingsdigtheid van die straling van 'n verhitte stof te verkry, word die swartliggaambenadering gebruik. Die term klink skrikwekkend, maar in werklikheid is dit baie nuttig in fisika en is dit nie so skaars in werklikheid nie. Dus, 'n heeltemal swart liggaam is 'n voorwerp wat nie die voorwerpe wat daarop geval het, "los" nie.fotone. Boonop hang sy kleur (spektrum) af van temperatuur. 'N Ruwe benadering van 'n heeltemal swart liggaam sou 'n kubus wees, aan die een kant waarvan daar 'n gat is wat minder as tien persent van die oppervlakte van die hele figuur is. Voorbeeld: vensters in woonstelle van gewone hoë geboue. Dis hoekom hulle swart lyk.
Rayleigh-Jeans
Hierdie formule beskryf die bestraling van 'n swart liggaam, slegs gebaseer op data beskikbaar vir klassieke fisika:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, waar
u is net die spektrale digtheid van energie helderheid, ω is die stralingsfrekwensie, kT is die vibrasie-energie.
As die golflengtes groot is, dan is die waardes geloofwaardig en stem goed ooreen met eksperiment. Maar sodra ons die lyn van sigbare straling oorsteek en die ultravioletsone van die elektromagnetiese spektrum binnegaan, bereik die energieë ongelooflike waardes. Daarbenewens, wanneer die formule oor frekwensie van nul tot oneindig geïntegreer word, word 'n oneindige waarde verkry! Hierdie feit onthul die essensie van die ultraviolet-katastrofe: as een of ander liggaam goed genoeg verhit word, sal sy energie genoeg wees om die heelal te vernietig.
Planck en sy kwantum
Baie wetenskaplikes het probeer om hierdie paradoks te omseil.’n Deurbraak het die wetenskap uit die doodloopstraat gelei,’n byna intuïtiewe stap in die onbekende. Planck se hipotese het gehelp om die paradoks van die ultraviolet-katastrofe te oorkom. Planck se formule vir die frekwensieverspreiding van swartliggaamsstraling het die konsep bevat"kwantum". Die wetenskaplike het dit self gedefinieer as 'n baie klein enkele aksie van die sisteem op die omliggende wêreld. Nou is 'n kwantum die kleinste ondeelbare gedeelte van sommige fisiese hoeveelhede.
Quantas kom in baie vorme voor:
- elektromagnetiese veld (foton, insluitend in 'n reënboog);
- vektorveld (gluon bepaal die bestaan van sterk interaksie);
- gravitasieveld (graviton is steeds 'n suiwer hipotetiese deeltjie, wat in die berekeninge is, maar dit is nog nie eksperimenteel gevind nie);
- Higgs-velde (die Higgs-boson is nie so lank gelede eksperimenteel ontdek in die Large Hadron Collider nie, en selfs mense baie ver van die wetenskap was verheug oor die ontdekking daarvan);
- sinchroniese beweging van atome van die rooster van 'n soliede liggaam (fonon).
Schrödinger se kat en Maxwell se demoon
Die ontdekking van die kwantum het tot baie beduidende gevolge gelei: 'n fundamenteel nuwe tak van fisika is geskep. Kwantummeganika, optika, veldteorie het 'n ontploffing van wetenskaplike ontdekkings veroorsaak. Vooraanstaande wetenskaplikes het wette ontdek of herskryf. Die feit van kwantisering van sisteme van elementêre deeltjies het gehelp om te verduidelik waarom die Maxwell-demoon nie kan bestaan nie (trouens, soveel as drie verduidelikings is voorgestel). Max Planck self het egter vir 'n baie lang tyd nie die fundamentele aard van sy ontdekking aanvaar nie. Hy het geglo dat 'n kwantum 'n gerieflike wiskundige manier is om 'n sekere gedagte uit te druk, maar nie meer nie. Boonop het die wetenskaplike gelag vir die skool van nuwe fisici. Daarom het M. Planck met 'n onoplosbare, soos dit vir hom gelyk het, vorendag gekomoor Schrödinger se kat. Die arme dier was tegelyk lewend en dood, wat onmoontlik is om te dink. Maar selfs so 'n taak het 'n baie duidelike verduideliking binne die raamwerk van kwantumfisika, en die relatief jong wetenskap self stap reeds met mag en groot oor die planeet.
