Ultraviolett katastrofe: Definisjon, essens og tolkning

I dag skal vi snakke om essensen av en slik ting som "ultrafiolett katastrofe": hvorfor dette paradokset dukket opp, og om det finnes måter å løse det på.

Klassisk fysikk

Før fremveksten av et kvantum i naturvitenskapens verdenregjerte klassisk fysikk. Selvfølgelig betraktes det viktigste alltid matematikk. Algebra og geometri brukes imidlertid oftest som anvendt vitenskap. Klassisk fysikk utforsker hvordan kroppen oppfører seg når den blir oppvarmet, ekspanderende, slående. Den beskriver transformasjon av energi fra kinetisk til intern, snakker om begreper som arbeid og kraft. Det er i dette området svaret på spørsmålet om hvordan den ultrafiolette katastrofen i fysikk oppstod.

På et tidspunkt var alle disse fenomenene sågodt studert, som virket mer og det er ingenting å oppdage! Det kom til det punktet at talentfulle unge ble rådet til å gå til matematikk eller biologi, siden gjennombrudd kun er mulig i disse områdene av vitenskap. Men ultrafiolett katastrofe og samtykke til praksis med teori viste feilen av slike representasjoner.

Termisk stråling

Var ikke fratatt klassisk fysikk og paradokser. For eksempel er termisk stråling kvanta av det elektromagnetiske feltet som oppstår i oppvarmede legemer. Den indre energien blir til lys. Ifølge klassisk fysikk er strålingen av en oppvarmet kropp et kontinuerlig spektrum, og dets maksimale avhenger av temperaturen: jo mindre termometerlesningen, "redder" det mest intense lyset. Nå kommer vi direkte til det som kalles en ultrafiolett katastrofe.

Terminator og termisk stråling

Et eksempel på termisk stråling er oppvarmet ogsmeltede metaller. I filmene om Terminator kommer industrielle gjenstander ofte fram. I den mest rørende andre delen av epikken, er jernmaskinen nedsenket i et bad av gurgling støpejern. Og denne innsjøen har en rød farge. Så svarer denne nyansen til maksimal stråling av støpejern med en viss temperatur. Dette betyr at en slik verdi ikke er den høyeste av alt mulig, fordi en rød foton har den korteste bølgelengden. Det er verdt å huske: Et flytende metall gir energi både i infrarød, og i det synlige og i ultrafiolett. Bare her er fotene som er forskjellige fra de røde, svært få.

Helt svart kropp

For å oppnå strømspektral tetthetstråling av et oppvarmet stoff, bruk tilnærming av en helt svart kropp. Begrepet høres skummelt ut, men det er faktisk veldig nyttig i fysikk og ikke så sjelden i virkeligheten. Så, en helt svart kropp er et objekt som ikke "frigjør" fotene som kom til det. Samtidig avhenger farge (spektrum) av temperatur. En grov tilnærming til en helt svart kropp vil være en terning, den ene siden har et hull mindre enn ti prosent av hele figurens område. Eksempel: Vinduer i leiligheter av konvensjonelle fler-etasjes bygninger. Derfor synes de å være svarte.

Rayleigh-Jeans lov

Denne formelen beskriver utslipp av en helt svart kropp, avhengig av kun data tilgjengelig for klassisk fysikk:

• u (ω, T) = kTω²/ π²c³, hvor
  du er bare spektral tettheten av energiluminansen,
  ω er strålingsfrekvensen,
  kT er oscillasjonsenergien.

Hvis bølgelengdene er store, så er verdieneer troverdige og er godt enige med eksperimentet. Men så snart vi krysser linjen synlig stråling og går inn i det ultraviolette båndet i det elektromagnetiske spektret, når energiene utrolige verdier. I tillegg gir integrasjon av formelen over frekvensen fra null til uendelig en uendelig verdi! Dette faktum avslører essensen av den ultrafiolette katastrofen: hvis en kropp er oppvarmet godt nok, vil dens energi være nok til å ødelegge universet.

Planck og hans kvantum

Mange forskere har forsøkt å omgå dette paradokset. Han tok vitenskapen ut av dødsfallet, et gjennombrudd, et nesten intuitivt skritt inn i det ukjente. Planck-hypotesen bidro til å overvinne paradoksen for ultrafiolett katastrofe. Plancks formel for fordelingen av strålingsfrekvensene av en helt svart kropp inneholdt begrepet "kvantum". Vitenskapsmannen selv definerte det som en meget liten enhetens handling av systemet i omverdenen. Nå er kvantet den minste delbare delen av noen fysiske mengder.

Quanta kommer i forskjellige former:

• Elektromagnetisk felt (foton, inkludert i regnbuen);
• vektorfelt (gluon bestemmer eksistensen av sterk vekselvirkning);
• gravitasjonsfelt (graviton er fortsatt en rent hypotetisk partikkel, som er i beregninger, men den har ikke blitt funnet eksperimentelt);
• Higgs-feltene (Higgs bosonen ikke så lenge siden ble eksperimentelt oppdaget i en stor hadronisk collider, og dens oppdagelse ble gledet selv av mennesker langt fra vitenskapen);
• synkron bevegelse av gitteratomer av et fast stoff (fonon).

Schrodinger-katten og Maxwell-demonen

Oppdagelsen av et kvantum førte til en meget betydeligKonsekvenser: En helt ny grenen av fysikk ble opprettet. Kvantemekanikk, optikk, feltteori forårsaket en eksplosjon av vitenskapelige funn. Fremstående lærde har oppdaget eller omskrevet lovene. Faktumet med kvantisering av elementære partikkelsystemer bidro til å forklare hvorfor Maxwells demon ikke kan eksistere (faktisk har tre forklaringer blitt foreslått). Imidlertid aksepterte Max Planck seg ikke selve den grunnleggende naturen i hans oppdagelse i svært lang tid. Han trodde at et kvantum er en praktisk matematisk måte å uttrykke en tanke på, men ikke mer. Videre loet forskeren på skolen av nye fysikere. Derfor oppfant M. Planck en uoppløselig, som det virket for ham, paradoks om katten Schrödinger. Det fattige dyret var i live, og døde samtidig som det er umulig å forestille seg. Men en slik oppgave har en helt klar forklaring innen kvantefysikk, og den relativt unge vitenskapen selv er allerede stridende langs planeten med makt og hoved.