Определение, същност и тълкуване на ултравиолетовата катастрофа
Днес ще говорим за същността на такова понятие като "ултравиолетова катастрофа": защо се появи този парадокс и има ли начини да го разрешим.
класическа физика
Преди появата на кванта светът на естествените науки беше доминиран от класическата физика. Разбира се, математиката винаги е била смятана за основна. Като приложни науки обаче най-често се използват алгебрата и геометрията. Класическата физика изследва как се държат телата, когато се нагряват, разширяват и удрят. Той описва трансформацията на енергията от кинетична към вътрешна, говори за такива понятия като работа и мощност. Именно в тази област се крие отговорът на въпроса как е възникнала ултравиолетовата катастрофа във физиката.
В един момент всички тези явления бяха толкова добре проучени, че изглеждаше, че няма какво повече да се открива! 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 не беше лишена от парадокси. Например топлинното излъчване е квантите на електромагнитното поле, които възникват в нагретите тела. Вътрешната енергия се превръща в светлина. Според класическата физика излъчването на нагрято тяло е непрекъснат спектър и максимумът му зависи от температурата: колкото по-ниско е показанието на термометъра, толкова „по-червена“ е най-интензивната светлина. Сега ще стигнем директно до това, което се нарича ултравиолетова катастрофа.
Терминатор и топлинно излъчване
Пример за топлинно излъчване са нагрети и разтопени метали. Във филмите за Терминаторчесто има промишлени съоръжения. В най-трогателната втора част на епоса желязната машина се потапя във вана от клокочащ чугун. И това езеро е червено. И така, 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, във видимата и в ултравиолетовата област. Само че има много малко фотони, различни от червените.
Изцяло черно тяло
За да се получи спектралната плътност на мощността на излъчване на нагрято 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, абсолютно черно тяло е обект, който не "освобождава" фотоните, които са паднали върху него. 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.
Закон на Рейли-Джинс
Тази формула описва излъчването на абсолютно черно тяло, базирано само на данните, достъпни за класическата физика:
- u(ω, T)= kTω 2 /π 2 c 3, където u е просто спектралната плътност на енергийната яркост, ω е честотата на излъчване, kT е енергията на трептене.
Ако дължините на вълните са големи, тогава стойностите са правдоподобни и се съгласуват добре с експеримента. Но щом преминем границата на видимата радиация и навлезем в ултравиолетовата зона на електромагнитния спектър, енергиите достигат невероятни стойности. Освен това приинтегрирайки 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 опитвали да заобиколят този парадокс. Един пробив изведе науката от задънената улица, почти интуитивна стъпка в неизвестното. Хипотезата на Планк помогна да се преодолее парадокса на ултравиолетовата катастрофа. Формулата на Планк за честотното разпределение на радиацията на черното тяло съдържа понятието "квант". Самият учен го определи като много малко единично действие на системата върху околния свят. Сега квантът е най-малката неделима част от някои физически величини.
Квантите са различни видове:
- електромагнитно поле (фотон, включително в дъга);
- векторно поле (глюонът определя съществуването на силното 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 експериментално открит не толкова отдавна в Големия адронен колайдер и дори хора, много далеч от науката, се зарадваха на откриването му);
- синхронно движение на атомите от решетката на твърдо тяло (фонон).
Котката на Шрьодингер и демонът на Максуел
Откриването на кванта доведе до много значителни последици: беше създаден фундаментално нов клон на физиката. Квантовата механика, оптиката, теорията на полето предизвикаха взрив от научни открития. Изтъкнати учени откриват или пренаписват закони. Фактът на квантуване на системи от елементарни частици помогна да се обясни защо демонът на Максуел не може да съществува (всъщност бешеса предложени три обяснения. Самият Макс Планк обаче дълго време не приема фундаменталния характер на своето откритие. Той вярваше, че квантът е удобен математически начин за изразяване на определена мисъл, но не повече. Освен това ученият се засмя на училището на новите физици. Затова М. Планк излезе с неразрешим, както му се струваше, парадокс за котката на Шрьодингер. Бедният звяр беше едновременно жив и мъртъв, което е невъзможно да си представим. Но дори такава задача има напълно ясно обяснение в рамките на квантовата физика, а самата сравнително млада наука вече крачи по планетата с мощ и сила.