Ngayon ay pag-uusapan natin ang kakanyahan ng naturang konsepto bilang "ultraviolet catastrophe": bakit lumitaw ang kabalintunaan na ito at kung may mga paraan upang malutas ito.
Classical physics
Bago ang pagdating ng quantum, ang mundo ng natural na agham ay pinangungunahan ng klasikal na pisika. Siyempre, ang matematika ay palaging itinuturing na pangunahing isa. Gayunpaman, ang algebra at geometry ay kadalasang ginagamit bilang mga inilapat na agham. Sinasaliksik ng klasikal na pisika kung paano kumikilos ang mga katawan kapag pinainit, pinalawak, at tinamaan. Inilalarawan nito ang pagbabago ng enerhiya mula sa kinetic hanggang sa panloob, pinag-uusapan ang mga konsepto tulad ng trabaho at kapangyarihan. Sa lugar na ito na ang sagot sa tanong kung paano lumitaw ang ultraviolet catastrophe sa physics.
Sa ilang sandali, ang lahat ng mga kababalaghang ito ay pinag-aralan nang mabuti na tila wala nang matutuklasan pa! Umabot sa punto na ang mga mahuhusay na kabataan ay pinayuhan na pumunta sa mga mathematician o biologist, dahil ang mga tagumpay ay posible lamang sa mga lugar na ito ng agham. Ngunit pinatunayan ng sakuna ng ultraviolet at ang pagkakatugma ng pagsasanay sa teorya ang kamalian ng gayong mga ideya.
Heat radiation
Ang klasikal na pisika at mga kabalintunaan ay hindi pinagkaitan. Halimbawa, ang thermal radiation ay ang quanta ng electromagnetic field na lumabas sa mga pinainit na katawan. Ang panloob na enerhiya ay nagiging liwanag. Ayon sa klasikal na pisika, ang radiation ng isang pinainit na katawan ay isang tuluy-tuloy na spectrum, at ang maximum nito ay nakasalalay sa temperatura: mas mababa ang pagbabasa ng thermometer, ang "mas mapula" ang pinaka matinding liwanag. Ngayon ay direktang lalapit tayo sa tinatawag na ultraviolet catastrophe.
Terminator at thermal radiation
Ang isang halimbawa ng thermal radiation ay pinainit at natunaw na mga metal. Ang mga pelikulang Terminator ay madalas na nagtatampok ng mga pasilidad na pang-industriya. Sa pinaka nakakaantig na ikalawang bahagi ng epiko, ang bakal na makina ay bumulusok sa isang paliguan ng umaagos na bakal. At ang lawa na ito ay pula. Kaya, ang lilim na ito ay tumutugma sa maximum na radiation ng cast iron na may isang tiyak na temperatura. Nangangahulugan ito na ang naturang halaga ay hindi ang pinakamataas sa lahat ng posible, dahil ang pulang photon ay may pinakamaliit na wavelength. Ito ay nagkakahalaga ng pag-alala: ang likidong metal ay nagpapalabas ng enerhiya sa infrared, at sa nakikita, at sa ultraviolet na rehiyon. Kakaunti lang ang mga photon maliban sa pula.
Perpektong itim na katawan
Upang makuha ang spectral power density ng radiation ng isang pinainit na substance, ginagamit ang black body approximation. Nakakatakot ang termino, ngunit sa katunayan ito ay lubhang kapaki-pakinabang sa pisika at hindi gaanong bihira sa katotohanan. Kaya, ang isang ganap na itim na katawan ay isang bagay na hindi "pinakawalan" ang mga bagay na nahulog dito.mga photon. Bukod dito, ang kulay nito (spectrum) ay nakasalalay sa temperatura. Ang isang magaspang na pagtatantya ng isang ganap na itim na katawan ay magiging isang kubo, sa isang gilid kung saan mayroong isang butas na mas mababa sa sampung porsyento ng lugar ng buong pigura. Halimbawa: mga bintana sa mga apartment ng ordinaryong matataas na gusali. Iyon ang dahilan kung bakit mukhang itim ang mga ito.
Rayleigh-Jeans
Inilalarawan ng formula na ito ang radiation ng isang black body, batay lamang sa data na available sa classical physics:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, kung saan Ang
u ay ang spectral density lamang ng liwanag ng enerhiya, ang
ω ay ang dalas ng radiation, ang
kT ay ang enerhiya ng vibration.
Kung ang mga wavelength ay malaki, kung gayon ang mga halaga ay kapani-paniwala at mahusay na sumasang-ayon sa eksperimento. Ngunit sa sandaling tumawid tayo sa linya ng nakikitang radiation at pumasok sa ultraviolet zone ng electromagnetic spectrum, ang mga enerhiya ay umabot sa hindi kapani-paniwalang mga halaga. Bilang karagdagan, kapag pinagsama ang formula sa dalas mula sa zero hanggang sa kawalang-hanggan, ang isang walang katapusang halaga ay nakuha! Ang katotohanang ito ay nagpapakita ng kakanyahan ng ultraviolet na sakuna: kung ang ilang katawan ay sapat na pinainit, ang enerhiya nito ay magiging sapat upang sirain ang uniberso.
Planck at ang kanyang kabuuan
Maraming siyentipiko ang sumubok na lutasin ang kabalintunaan na ito. Ang isang pambihirang tagumpay ay humantong sa agham mula sa hindi pagkakasundo, isang halos madaling maunawaan na hakbang sa hindi alam. Ang hypothesis ni Planck ay nakatulong upang madaig ang kabalintunaan ng ultraviolet na sakuna. Ang formula ni Planck para sa frequency distribution ng black body radiation ay naglalaman ng konsepto"kuwantum". Ang siyentipiko mismo ay tinukoy ito bilang isang napakaliit na solong aksyon ng sistema sa nakapaligid na mundo. Ngayon, ang quantum ay ang pinakamaliit na hindi mahahati na bahagi ng ilang pisikal na dami.
May iba't ibang anyo ang quantas:
- electromagnetic field (photon, kasama sa rainbow);
- vector field (tinutukoy ng gluon ang pagkakaroon ng malakas na pakikipag-ugnayan);
- gravitational field (puro hypothetical particle pa rin ang graviton, na nasa mga kalkulasyon, ngunit hindi pa ito nasusumpungan sa eksperimentong paraan);
- Higgs fields (ang Higgs boson ay eksperimento na natuklasan hindi pa katagal sa Large Hadron Collider, at maging ang mga taong napakalayo sa agham ay nagalak sa pagtuklas nito);
- kasabay na paggalaw ng mga atomo ng sala-sala ng solidong katawan (phonon).
pusa ni Schrödinger at demonyo ni Maxwell
Ang pagtuklas ng quantum ay humantong sa napakalaking kahihinatnan: isang panimula na bagong sangay ng pisika ay nilikha. Ang quantum mechanics, optika, field theory ay nagdulot ng pagsabog ng mga siyentipikong pagtuklas. Natuklasan o muling isinulat ng mga kilalang siyentipiko ang mga batas. Ang katotohanan ng quantization ng mga sistema ng elementarya na mga particle ay nakatulong na ipaliwanag kung bakit ang Maxwell demonyo ay hindi maaaring umiral (sa katunayan, kasing dami ng tatlong paliwanag ang iminungkahi). Gayunpaman, si Max Planck mismo ay hindi tinanggap ang pangunahing katangian ng kanyang pagtuklas sa napakahabang panahon. Naniniwala siya na ang isang quantum ay isang maginhawang paraan sa matematika upang ipahayag ang isang tiyak na kaisipan, ngunit wala na. Bukod dito, pinagtawanan ng siyentipiko ang paaralan ng mga bagong physicist. Samakatuwid, si M. Planck ay dumating sa isang hindi malulutas, na tila sa kanya, kabalintunaantungkol sa pusa ni Schrödinger. Ang kawawang hayop ay parehong buhay at patay sa parehong oras, na imposibleng isipin. Ngunit kahit na ang ganoong gawain ay may malinaw na paliwanag sa loob ng balangkas ng quantum physics, at ang medyo batang agham mismo ay humahakbang na sa buong planeta nang may lakas at pangunahing.
