Σήμερα θα μιλήσουμε για την ουσία μιας τέτοιας έννοιας όπως η "υπεριώδης καταστροφή": γιατί εμφανίστηκε αυτό το παράδοξο και αν υπάρχουν τρόποι επίλυσής του.
Κλασική φυσική
Πριν από την έλευση του κβαντικού, στον κόσμο της φυσικής επιστήμης κυριαρχούσε η κλασική φυσική. Φυσικά, τα μαθηματικά θεωρούνταν πάντα τα κύρια. Ωστόσο, η άλγεβρα και η γεωμετρία χρησιμοποιούνται συχνότερα ως εφαρμοσμένες επιστήμες. Η κλασική φυσική διερευνά πώς συμπεριφέρονται τα σώματα όταν θερμαίνονται, διαστέλλονται και χτυπούν. Περιγράφει τη μετατροπή της ενέργειας από κινητική σε εσωτερική, μιλά για έννοιες όπως το έργο και η δύναμη. Σε αυτόν τον τομέα είναι η απάντηση στο ερώτημα πώς προέκυψε η υπεριώδης καταστροφή στη φυσική.
Κάποια στιγμή, όλα αυτά τα φαινόμενα μελετήθηκαν τόσο καλά που φαινόταν ότι δεν υπήρχε τίποτα άλλο να ανακαλύψετε! Έφτασε στο σημείο οι ταλαντούχοι νέοι να συμβουλεύονται να πάνε σε μαθηματικούς ή βιολόγους, αφού οι ανακαλύψεις είναι δυνατές μόνο σε αυτούς τους τομείς της επιστήμης. Όμως η υπεριώδης καταστροφή και η εναρμόνιση της πρακτικής με τη θεωρία απέδειξαν την πλάνη τέτοιων ιδεών.
Θερμική ακτινοβολία
Η κλασική φυσική και τα παράδοξα δεν στερήθηκαν. Για παράδειγμα, η θερμική ακτινοβολία είναι τα κβάντα του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που προκύπτουν σε θερμαινόμενα σώματα. Η εσωτερική ενέργεια μετατρέπεται σε φως. Σύμφωνα με την κλασική φυσική, η ακτινοβολία ενός θερμαινόμενου σώματος είναι ένα συνεχές φάσμα και το μέγιστο εξαρτάται από τη θερμοκρασία: όσο χαμηλότερη είναι η ένδειξη του θερμομέτρου, τόσο πιο «κόκκινο» το πιο έντονο φως. Τώρα θα προσεγγίσουμε απευθείας αυτό που ονομάζεται υπεριώδης καταστροφή.
Terminator και θερμική ακτινοβολία
Ένα παράδειγμα θερμικής ακτινοβολίας είναι τα θερμαινόμενα και λιωμένα μέταλλα. Τα φιλμ εξολοθρευτή συχνά παρουσιάζουν βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Στο πιο συγκινητικό δεύτερο μέρος του έπους, η μηχανή του σιδήρου βυθίζεται σε ένα λουτρό από γάργαρο χυτοσίδηρο. Και αυτή η λίμνη είναι κόκκινη. Έτσι, αυτή η απόχρωση αντιστοιχεί στη μέγιστη ακτινοβολία του χυτοσιδήρου με μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Αυτό σημαίνει ότι μια τέτοια τιμή δεν είναι η υψηλότερη από όλες τις πιθανές, επειδή το κόκκινο φωτόνιο έχει το μικρότερο μήκος κύματος. Αξίζει να θυμηθούμε: το υγρό μέταλλο ακτινοβολεί ενέργεια στην υπέρυθρη, και στην ορατή και στην υπεριώδη περιοχή. Μόνο που υπάρχουν πολύ λίγα φωτόνια εκτός από το κόκκινο.
Τέλειο μαύρο σώμα
Για να ληφθεί η φασματική πυκνότητα ισχύος της ακτινοβολίας μιας θερμαινόμενης ουσίας, χρησιμοποιείται η προσέγγιση μαύρου σώματος. Ο όρος ακούγεται τρομακτικός, αλλά στην πραγματικότητα είναι πολύ χρήσιμος στη φυσική και δεν είναι τόσο σπάνιος στην πραγματικότητα. Άρα, ένα εντελώς μαύρο σώμα είναι ένα αντικείμενο που δεν «απελευθερώνει» τα αντικείμενα που του έχουν πέσει.φωτόνια. Επιπλέον, το χρώμα (φάσμα) του εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Μια κατά προσέγγιση προσέγγιση ενός εντελώς μαύρου σώματος θα ήταν ένας κύβος, στη μία πλευρά του οποίου υπάρχει μια τρύπα μικρότερη από το δέκα τοις εκατό της επιφάνειας ολόκληρης της φιγούρας. Παράδειγμα: παράθυρα σε διαμερίσματα συνηθισμένων πολυώροφων κτιρίων. Γι' αυτό φαίνονται μαύρα.
Rayleigh-Jeans
Αυτός ο τύπος περιγράφει την ακτινοβολία ενός μαύρου σώματος, με βάση μόνο δεδομένα που είναι διαθέσιμα στην κλασική φυσική:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, όπου Το
u είναι απλώς η φασματική πυκνότητα της ενεργειακής φωτεινότητας, ω είναι η συχνότητα ακτινοβολίας, kT είναι η ενέργεια δόνησης.
Αν τα μήκη κύματος είναι μεγάλα, τότε οι τιμές είναι εύλογες και συμφωνούν καλά με το πείραμα. Μόλις όμως διασχίσουμε τη γραμμή της ορατής ακτινοβολίας και μπούμε στην υπεριώδη ζώνη του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, οι ενέργειες φτάνουν σε απίστευτες τιμές. Επιπλέον, κατά την ενσωμάτωση του τύπου σε συχνότητα από το μηδέν στο άπειρο, προκύπτει μια άπειρη τιμή! Αυτό το γεγονός αποκαλύπτει την ουσία της υπεριώδους καταστροφής: αν κάποιο σώμα θερμανθεί αρκετά καλά, η ενέργειά του θα είναι αρκετή για να καταστρέψει το σύμπαν.
Ο Πλανκ και το κβάντό του
Πολλοί επιστήμονες προσπάθησαν να επιλύσουν αυτό το παράδοξο. Μια σημαντική ανακάλυψη οδήγησε την επιστήμη από το αδιέξοδο, ένα σχεδόν διαισθητικό βήμα στο άγνωστο. Η υπόθεση του Planck βοήθησε να ξεπεραστεί το παράδοξο της υπεριώδους καταστροφής. Ο τύπος του Planck για την κατανομή συχνότητας της ακτινοβολίας μαύρου σώματος περιείχε την έννοια"ποσοστό". Ο ίδιος ο επιστήμονας το όρισε ως μια πολύ μικρή ενιαία δράση του συστήματος στον περιβάλλοντα κόσμο. Τώρα ένα κβάντο είναι το μικρότερο αδιαίρετο τμήμα ορισμένων φυσικών μεγεθών.
Τα ποσά διατίθενται σε πολλές μορφές:
- ηλεκτρομαγνητικό πεδίο (φωτόνιο, συμπεριλαμβανομένου του ουράνιου τόξου);
- διανυσματικό πεδίο (το γκλουόνιο καθορίζει την ύπαρξη ισχυρής αλληλεπίδρασης);
- βαρυτικό πεδίο (το βαρυτόν εξακολουθεί να είναι ένα αμιγώς υποθετικό σωματίδιο, το οποίο βρίσκεται στους υπολογισμούς, αλλά δεν έχει βρεθεί ακόμα πειραματικά);
- Πεδία Χιγκς (το μποζόνιο Χιγκς ανακαλύφθηκε πειραματικά όχι πολύ καιρό πριν στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, και ακόμη και άνθρωποι πολύ μακριά από την επιστήμη χάρηκαν με την ανακάλυψή του);
- σύγχρονη κίνηση ατόμων του πλέγματος ενός στερεού σώματος (φωνονίου).
Η γάτα του Σρέντινγκερ και ο δαίμονας του Μάξγουελ
Η ανακάλυψη του κβαντικού οδήγησε σε πολύ σημαντικές συνέπειες: δημιουργήθηκε ένας θεμελιωδώς νέος κλάδος της φυσικής. Η κβαντομηχανική, η οπτική, η θεωρία πεδίου προκάλεσαν μια έκρηξη επιστημονικών ανακαλύψεων. Διαπρεπείς επιστήμονες ανακάλυψαν ή ξαναέγραψαν νόμους. Το γεγονός της κβαντοποίησης συστημάτων στοιχειωδών σωματιδίων βοήθησε να εξηγηθεί γιατί ο δαίμονας Maxwell δεν μπορεί να υπάρξει (στην πραγματικότητα, έχουν προταθεί έως και τρεις εξηγήσεις). Ωστόσο, ο ίδιος ο Μαξ Πλανκ δεν αποδέχτηκε τη θεμελιώδη φύση της ανακάλυψής του για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα. Πίστευε ότι ένα κβάντο είναι ένας βολικός μαθηματικός τρόπος για να εκφράσει μια συγκεκριμένη σκέψη, αλλά όχι περισσότερο. Επιπλέον, ο επιστήμονας γέλασε στη σχολή των νέων φυσικών. Ως εκ τούτου, ο M. Planck κατέληξε σε ένα άλυτο, όπως του φάνηκε, παράδοξογια τη γάτα του Σρέντινγκερ. Το καημένο θηρίο ήταν και ζωντανό και νεκρό ταυτόχρονα, κάτι που είναι αδύνατο να φανταστεί κανείς. Αλλά ακόμη και ένα τέτοιο έργο έχει μια αρκετά σαφή εξήγηση στο πλαίσιο της κβαντικής φυσικής, και η ίδια η σχετικά νέα επιστήμη ήδη διασχίζει τον πλανήτη με δύναμη και κύρια.
