Ma egy olyan fogalom lényegéről fogunk beszélni, mint az "ultraibolya katasztrófa": miért jelent meg ez a paradoxon, és vannak-e módok a megoldására.
Klasszikus fizika
A kvantum megjelenése előtt a természettudományok világát a klasszikus fizika ur alta. Természetesen mindig is a matematikát tartották a legfontosabbnak. Az algebrát és a geometriát azonban leggyakrabban alkalmazott tudományokként használják. A klasszikus fizika azt vizsgálja, hogyan viselkednek a testek hevítéskor, kitáguláskor és ütközéskor. Leírja az energia átalakulását kinetikusból belsővé, beszél olyan fogalmakról, mint a munka és a hatalom. Ezen a területen adható meg a válasz arra a kérdésre, hogy hogyan keletkezett az ultraibolya sugárzás katasztrófája a fizikában.
Valamikor ezeket a jelenségeket annyira alaposan tanulmányozták, hogy úgy tűnt, nincs több felfedeznivaló! Odáig jutott, hogy a tehetséges fiataloknak azt tanácsolták, menjenek matematikushoz vagy biológushoz, hiszen csak ezeken a tudományterületeken lehetséges az áttörés. De az ultraibolya katasztrófa és a gyakorlatnak az elmélettel való összehangolása bebizonyította az ilyen elképzelések tévedését.
Hősugárzás
A klasszikus fizikát és a paradoxonokat nem fosztották meg. Például a hősugárzás a felhevült testekben keletkező elektromágneses mező kvantuma. A belső energia fénnyé változik. A klasszikus fizika szerint a felhevült test sugárzása folytonos spektrum, maximuma pedig a hőmérséklettől függ: minél alacsonyabb a hőmérő, annál „vörösebb” a legintenzívebb fény. Most közvetlenül megközelítjük az úgynevezett ultraibolya katasztrófát.
Terminátor és hősugárzás
A hősugárzásra példa a hevített és megolvadt fémek. A terminátorfilmekben gyakran szerepelnek ipari létesítmények. Az eposz legmeghatóbb második részében a vasgép belemerül a gurgulázó öntöttvas fürdőjébe. És ez a tó vörös. Tehát ez az árnyalat megfelel az öntöttvas maximális sugárzásának egy bizonyos hőmérsékleten. Ez azt jelenti, hogy ez az érték nem a legmagasabb az összes lehetséges közül, mivel a vörös fotonnak van a legkisebb hullámhossza. Érdemes megjegyezni: a folyékony fém energiát sugároz az infravörös, a látható és az ultraibolya tartományban. Csak nagyon kevés foton van a vörösön kívül.
Tökéletes fekete test
A felmelegített anyag sugárzásának spektrális teljesítménysűrűségének meghatározásához a fekete test közelítését használjuk. A kifejezés ijesztően hangzik, de valójában nagyon hasznos a fizikában, és nem is olyan ritka a valóságban. Tehát a teljesen fekete test olyan tárgy, amely nem „engedi el” a ráesett tárgyakat.fotonok. Ráadásul színe (spektruma) a hőmérséklettől függ. A teljesen fekete test durva közelítése egy kocka lenne, amelynek egyik oldalán a teljes alak területének tíz százalékánál kevesebb lyuk található. Példa: ablakok normál sokemeletes épületek lakásaiban. Ezért tűnnek feketének.
Rayleigh-Jeans
Ez a képlet egy fekete test sugárzását írja le, csak a klasszikus fizika számára elérhető adatok alapján:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, ahol
u csak az energia fényesség spektrális sűrűsége, ω a sugárzási frekvencia, kT a rezgési energia.
Ha a hullámhosszak nagyok, akkor az értékek elfogadhatók és jól egyeznek a kísérlettel. Ám amint átlépjük a látható sugárzás határát és belépünk az elektromágneses spektrum ultraibolya zónájába, az energiák hihetetlen értékeket érnek el. Ezenkívül a képlet frekvencia feletti integrálásakor nulláról végtelenre végtelen értéket kapunk! Ez a tény felfedi az ultraibolya katasztrófa lényegét: ha egy testet elég jól felmelegítenek, akkor energiája elegendő lesz az univerzum elpusztításához.
Planck és kvantuma
Sok tudós próbálta megkerülni ezt a paradoxont. Egy áttörés kivezette a tudományt a zsákutcából, egy szinte intuitív lépés az ismeretlenbe. Planck hipotézise segített leküzdeni az ultraibolya katasztrófa paradoxonát. Planck képlete a fekete test sugárzásának frekvenciaeloszlására tartalmazta a fogalmat"kvantum". Maga a tudós úgy határozta meg, mint a rendszer nagyon kicsi, egyetlen hatását a környező világra. Most a kvantum néhány fizikai mennyiség legkisebb oszthatatlan része.
A kvanták többféle formában léteznek:
- elektromágneses tér (foton, szivárványban is);
- vektormező (a gluon határozza meg az erős kölcsönhatás létezését);
- gravitációs tér (a graviton még mindig pusztán hipotetikus részecske, ami benne van a számításokban, de kísérletileg még nem találták meg);
- Higgs-mezők (a Higgs-bozont kísérletileg nem is olyan régen fedezték fel a Nagy Hadronütköztetőben, és még a tudománytól nagyon távol álló emberek is örültek a felfedezésnek);
- a szilárd test (fonon) rácsának atomjainak szinkron mozgása.
Schrödinger macskája és Maxwell démona
A kvantum felfedezése igen jelentős következményekkel járt: a fizika egy alapvetően új ága jött létre. A kvantummechanika, az optika, a térelmélet a tudományos felfedezések robbanását okozta. Kiváló tudósok fedeztek fel vagy írtak át törvényeket. Az elemi részecskék rendszereinek kvantálásának ténye segített megmagyarázni, miért nem létezhet a Maxwell-démon (valójában három magyarázatot javasoltak). Maga Max Planck azonban nagyon sokáig nem fogadta el felfedezésének alapvető természetét. Úgy vélte, hogy a kvantum kényelmes matematikai módszer egy bizonyos gondolat kifejezésére, de nem több. Sőt, a tudós nevetett az új fizikusok iskoláján. Ezért M. Planck egy feloldhatatlan, számára látszólagos paradoxonnal állt előSchrödinger macskájáról. A szegény vadállat egyszerre volt élő és halott, amit elképzelni sem lehet. De a kvantumfizika keretein belül még egy ilyen feladatnak is megvan a világos magyarázata, és maga a viszonylag fiatal tudomány már nagy erőkkel száguldozik a bolygón.
