Catastrofa ultravioletă: definiție, esență și interpretare

Astăzi vom vorbi despre esența unui astfel de lucru, cum ar fi "catastrofa ultravioletă": de ce a apărut acest paradox și dacă există modalități de rezolvare a acestuia.

Fizica clasică

Înainte de apariția unui cuantum în lumea științei naturale, fizica clasică a domnit supremă. Desigur, lucrul principal a fost întotdeauna considerat matematică. Cu toate acestea, algebra și geometria sunt cele mai des folosite ca științe aplicate. Fizica clasică explorează modul în care se comportă corpul atunci când se încălzește, se extinde, izbucnește. Ea descrie transformarea energiei de la cinetică la cea internă, vorbește despre concepte precum munca și puterea. Aici se află răspunsul la întrebarea cum a apărut catastrofa ultravioletă în fizică.

La un moment dat, toate aceste fenomene au fost studiate atât de bine încât părea că nu mai este nimic de descoperit! A ajuns la punctul în care tinerii talentați au fost sfătuiți să meargă la matematică sau biologie, deoarece descoperirile sunt posibile numai în aceste domenii ale științei. Dar catastrofa ultravioletă și acordul de practică cu teoria au demonstrat falsitatea unor astfel de reprezentări.

Radiația termică

Nu a fost lipsit de fizica și paradoxurile clasice. De exemplu, radiația termică reprezintă cantitatile câmpului electromagnetic care apar în corpurile încălzite. Energia internă se transformă în lumină. Conform fizicii clasice, radiația unui corp încălzit este un spectru continuu, iar maximul său depinde de temperatură: cu cât este mai mică citirea termometrului, cu "cea mai roșie" cea mai intensă lumină. Acum vom ajunge direct la ceea ce se numește o catastrofă ultravioletă.

Terminator și radiații termice

Un exemplu de radiație termică este încălzirea și topirea metalelor. În filmele despre Terminator apar adesea obiecte industriale. În cea de-a doua parte a epicei cele mai emoționante, mașina de fier este scufundată într-o baie de fontă burgindă. Și acest lac are o culoare roșie. Deci, această umbră corespunde radiației maxime a fontei cu o anumită temperatură. Aceasta înseamnă că o astfel de valoare nu este cea mai mare dintre toate posibil, deoarece un foton roșu are cea mai scurtă lungime de undă. Merită amintit: un metal lichid emite energie atât în ​​infraroșu, cât și în vid și ultraviolet. Doar aici sunt fotoni diferiți de cei roșii, foarte puțini.

Trupul absolut negru

Pentru a obține densitatea spectrală de putere a substanței încălzite, se folosește aproximația corpului negru. Termenul sună înfricoșător, dar de fapt este foarte util în fizică și nu atât de rar în realitate. Deci, un corp absolut negru este un obiect care nu "eliberează" fotonii care au ajuns la el. În același timp, culoarea (spectrul) depinde de temperatură. O apropiere aproximativă a unui corp absolut negru va fi un cub, o parte a căreia are o gaură mai mică de zece procente din suprafața întregii figuri. Exemplu: ferestre în apartamente de clădiri convenționale cu mai multe etaje. Prin urmare, ele par a fi negre.

Legea Rayleigh-Jeans

Această formulă descrie emisia unui corp absolut negru, bazându-se doar pe datele disponibile pentru fizica clasică:

• u (omega-, T) = kTomega-²/ pi-²c³, unde
  u este doar densitatea spectrală a luminozității energetice,
  omega- este frecvența radiațiilor,
  kT este energia oscilației.

Dacă lungimile de undă sunt mari, atunci valorile sunt plauzibile și sunt de acord cu experimentul. Dar, de îndată ce traversăm linia de radiații vizibile și intrăm în banda ultravioletă a spectrului electromagnetic, energiile ating valorile incredibile. În plus, integrarea formulei peste frecvența de la zero la infinit oferă o valoare infinită! Acest fapt relevă esența catastrofei ultraviolete: în cazul în care unele caldura corpului destul de bine, va fi suficienta energie pentru a distruge universul.

Planck și cuantele lui

Mulți oameni de știință au încercat să eludeze acest paradox. A adus știința din impas, o descoperire, un pas aproape intuitiv în necunoscut. A ajutat la depășirea paradoxului dezastrului ultraviolet Ipoteza lui Planck. Formula lui Planck pentru distribuirea frecvențelor radiației unui corp absolut negru conținea conceptul de "cuant". Însuși omul de știință a definit-o ca fiind o acțiune unică foarte mică a sistemului asupra lumii înconjurătoare. Acum, cuantumul este cea mai mică parte indivizibilă a unor cantități fizice.

Quanta vin în diferite forme:

• Câmp electromagnetic (foton, inclusiv în curcubeu);
• câmp vectorial (gluonul determină existența unei interacțiuni puternice);
• câmpul gravitațional (gravitonul este încă o particulă pur ipotetică, care este în calcule, dar nu a fost încă găsită experimental);
• Campurile Higgs (bosonul Higgs nu cu mult timp în urmă a fost experimental descoperit într-un mare atacant hadronic și descoperirea sa a fost bucurată chiar și de oameni foarte departe de știință);
• mișcarea sincronă a atomilor de zăbrele dintr-un solid (fonon).

Pisica Schrodinger și demonul Maxwell

Descoperirea cuantului a condus la consecințe foarte importante: a fost creată o ramură cu totul nouă de fizică. Mecanica cuantică, optica, teoria câmpurilor au provocat o explozie de descoperiri științifice. Cercetătorii remarcabili au descoperit sau au rescris legile. Faptul cuantificării sistemelor elementare de particule a explicat de ce demonul lui Maxwell nu poate exista (de fapt, au fost sugerate trei explicații). Cu toate acestea, Max Planck însuși nu a acceptat natura fundamentală a descoperirii sale de foarte mult timp. El credea că un cuantum este un mod matematic convenabil de exprimare a unui gând, dar nu mai mult. În plus, omul de știință a râs la școala noilor fizicieni. Prin urmare, M. Planck a inventat un paradox, care nu i sa putut rezolva, despre pisica Schrödinger. Animalul sărac a fost în viață și a murit în același timp, încât este imposibil să ne imaginăm. Dar o astfel de sarcină are o explicație absolut clară în cadrul fizicii cuantice, iar știința relativ tânără însuși se îndreaptă deja de-a lungul planetei cu puterea și principala.