Šodien mēs runāsim par tāda jēdziena kā "ultravioletā katastrofa" būtību: kāpēc parādījās šis paradokss un vai ir veidi, kā to atrisināt.
Klasiskā fizika
Pirms kvantu parādīšanās dabaszinātņu pasaulē dominēja klasiskā fizika. Protams, matemātika vienmēr ir uzskatīta par galveno. Tomēr algebra un ģeometrija visbiežāk tiek izmantotas kā lietišķās zinātnes. Klasiskā fizika pēta, kā ķermeņi uzvedas, kad tie tiek uzkarsēti, izplešoties un atsitoties. Tas apraksta enerģijas pārveidošanu no kinētiskas uz iekšējo, runā par tādiem jēdzieniem kā darbs un spēks. Tieši šajā jomā rodas atbilde uz jautājumu, kā radās ultravioletā katastrofa fizikā.
Kādā brīdī visas šīs parādības bija tik labi izpētītas, ka šķita, ka vairs nav ko atklāt! Tas nonāca tiktāl, ka talantīgiem jauniešiem ieteica doties pie matemātiķiem vai biologiem, jo sasniegumi ir iespējami tikai šajās zinātnes jomās. Taču ultravioletā katastrofa un prakses saskaņošana ar teoriju pierādīja šādu ideju maldīgumu.
Siltuma starojums
Klasiskā fizika un paradoksi netika atņemti. Piemēram, termiskais starojums ir elektromagnētiskā lauka kvanti, kas rodas sakarsētos ķermeņos. Iekšējā enerģija pārvēršas gaismā. Saskaņā ar klasisko fiziku sakarsēta ķermeņa starojums ir nepārtraukts spektrs, un tā maksimums ir atkarīgs no temperatūras: jo zemāks termometra rādījums, jo “sarkanāka” ir visintensīvākā gaisma. Tagad mēs tieši tuvosimies tai, ko sauc par ultravioleto katastrofu.
Terminators un termiskais starojums
Termiskā starojuma piemērs ir sakarsēti un izkausēti metāli. Terminatora filmās bieži ir redzamas rūpnieciskas iekārtas. Eposa aizkustinošākajā otrajā daļā dzelzs mašīna iegremdējas čaukstoša čuguna vannā. Un šis ezers ir sarkans. Tātad šis tonis atbilst maksimālajam čuguna starojumam ar noteiktu temperatūru. Tas nozīmē, ka šāda vērtība nav augstākā no visām iespējamajām, jo sarkanajam fotonam ir mazākais viļņa garums. Ir vērts atcerēties: šķidrais metāls izstaro enerģiju infrasarkanajā, redzamajā un ultravioletajā reģionā. Tikai ir ļoti maz fotonu, izņemot sarkano.
Perfekts melns korpuss
Lai iegūtu sakarsētas vielas starojuma spektrālo jaudas blīvumu, tiek izmantota melnā ķermeņa aproksimācija. Termins izklausās biedējoši, bet patiesībā tas ir ļoti noderīgs fizikā un patiesībā nav tik reti sastopams. Tātad, pilnīgi melns ķermenis ir objekts, kas “neatbrīvo” objektus, kas tam uzkrituši.fotoni. Turklāt tā krāsa (spektrs) ir atkarīga no temperatūras. Aptuvens pilnīgi melna korpusa tuvinājums būtu kubs, kura vienā pusē ir caurums, kas mazāks par desmit procentiem no visas figūras laukuma. Piemērs: logi parastu daudzstāvu ēku dzīvokļos. Tāpēc tie izskatās melni.
Rayleigh-Jeans
Šī formula apraksta melna ķermeņa starojumu, pamatojoties tikai uz datiem, kas pieejami klasiskajai fizikā:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, kur
u ir tikai enerģijas spilgtuma spektrālais blīvums, ω ir starojuma frekvence, kT ir vibrācijas enerģija.
Ja viļņu garumi ir lieli, tad vērtības ir ticamas un labi saskan ar eksperimentu. Bet, tiklīdz mēs šķērsojam redzamā starojuma līniju un nonākam elektromagnētiskā spektra ultravioletajā zonā, enerģijas sasniedz neticamas vērtības. Turklāt, integrējot formulu pār frekvenci no nulles līdz bezgalībai, tiek iegūta bezgalīga vērtība! Šis fakts atklāj ultravioletās katastrofas būtību: ja kāds ķermenis ir pietiekami labi uzsildīts, tā enerģijas pietiks, lai iznīcinātu Visumu.
Planks un viņa kvants
Daudzi zinātnieki ir mēģinājuši apiet šo paradoksu. Izrāviens izveda zinātni no strupceļa, gandrīz intuitīvs solis nezināmajā. Planka hipotēze palīdzēja pārvarēt ultravioletās katastrofas paradoksu. Planka formula melnā ķermeņa starojuma frekvenču sadalījumam ietvēra šo jēdzienu"kvanti". Pats zinātnieks to definēja kā ļoti mazu sistēmas darbību uz apkārtējo pasauli. Tagad kvants ir dažu fizisko lielumu mazākā nedalāmā daļa.
Kvanti ir pieejami dažādos veidos:
- elektromagnētiskais lauks (fotons, arī varavīksnē);
- vektorlauks (gluons nosaka spēcīgas mijiedarbības esamību);
- gravitācijas lauks (gravitons joprojām ir tīri hipotētiska daļiņa, kas ir aprēķinos, bet tā vēl nav eksperimentāli atrasta);
- Higsa lauki (Higsa bozons eksperimentāli tika atklāts ne tik sen Lielajā hadronu paātrinātājā, un pat cilvēki, kas ļoti tālu no zinātnes, priecājās par tā atklāšanu);
- Cieta ķermeņa (fonona) režģa atomu sinhronā kustība.
Šrēdingera kaķis un Maksvela dēmons
Kvanta atklāšana izraisīja ļoti nozīmīgas sekas: tika izveidota principiāli jauna fizikas nozare. Kvantu mehānika, optika, lauka teorija izraisīja zinātnisko atklājumu eksploziju. Izcili zinātnieki atklāja vai pārrakstīja likumus. Elementārdaļiņu sistēmu kvantēšanas fakts palīdzēja izskaidrot, kāpēc Maksvela dēmons nevar pastāvēt (patiesībā ir ierosināti pat trīs skaidrojumi). Tomēr pats Makss Planks ļoti ilgu laiku nepieņēma sava atklājuma fundamentālo būtību. Viņš uzskatīja, ka kvants ir ērts matemātisks veids, kā izteikt noteiktu domu, bet ne vairāk. Turklāt zinātnieks smējās par jauno fiziķu skolu. Tāpēc M. Planks nāca klajā ar neatrisināmu, kā viņam šķita, paradoksupar Šrēdingera kaķi. Nabaga zvērs vienlaikus bija gan dzīvs, gan miris, ko nav iespējams iedomāties. Bet pat šādam uzdevumam ir diezgan skaidrs izskaidrojums kvantu fizikas ietvaros, un pati salīdzinoši jaunā zinātne jau ar spēku un pamatiem soļo pāri planētai.
