Danes bomo govorili o bistvu takega koncepta, kot je "ultravijolična katastrofa": zakaj se je pojavil ta paradoks in ali obstajajo načini za njegovo rešitev.
Klasična fizika
Pred prihodom kvanta je v svetu naravoslovja prevladovala klasična fizika. Seveda je matematika vedno veljala za glavno. Vendar pa se kot uporabni znanosti najpogosteje uporabljata algebra in geometrija. Klasična fizika raziskuje, kako se telesa obnašajo, ko se segrejejo, razširijo in udarijo. Opisuje preoblikovanje energije iz kinetične v notranjo, govori o konceptih, kot sta delo in moč. Na tem področju je nastal odgovor na vprašanje, kako je nastala ultravijolična katastrofa v fiziki.
V nekem trenutku so bili vsi ti pojavi tako dobro raziskani, da se je zdelo, da ni več kaj odkriti! Prišlo je do točke, da so nadarjenim mladim svetovali k matematikom ali biologom, saj so preboji možni le na teh področjih znanosti. Toda ultravijolična katastrofa in usklajevanje prakse s teorijo sta dokazala zmotnost takšnih idej.
Toplotno sevanje
Klasična fizika in paradoksi niso bili prikrajšani. Na primer, toplotno sevanje so kvanti elektromagnetnega polja, ki nastanejo v segretih telesih. Notranja energija se spremeni v svetlobo. Po klasični fiziki je sevanje segretega telesa neprekinjen spekter, njegov maksimum pa je odvisen od temperature: nižji kot je odčitek termometra, »rdečejša« je najbolj intenzivna svetloba. Zdaj se bomo neposredno približali temu, kar imenujemo ultravijolična katastrofa.
Terminator in toplotno sevanje
Primer toplotnega sevanja so segrete in staljene kovine. Filmi Terminator pogosto prikazujejo industrijske objekte. V najbolj ganljivem drugem delu epa se železni stroj potopi v kopel žuboreče litega železa. In to jezero je rdeče. Torej ta odtenek ustreza največjemu sevanju litega železa z določeno temperaturo. To pomeni, da taka vrednost ni najvišja od vseh možnih, saj ima rdeči foton najmanjšo valovno dolžino. Velja zapomniti: tekoča kovina oddaja energijo v infrardeči, vidni in ultravijolični regiji. Le da je fotonov zelo malo razen rdeče.
Popolno črno telo
Za pridobitev spektralne gostote moči sevanja segrete snovi se uporablja približek črnega telesa. Izraz se sliši strašljivo, v resnici pa je zelo uporaben v fiziki in v resnici ni tako redek. Torej, popolnoma črno telo je predmet, ki ne "spusti" predmetov, ki so mu padli.fotonov. Poleg tega je njegova barva (spekter) odvisna od temperature. Grobi približek popolnoma črnega telesa bi bila kocka, na eni strani katere je luknja manj kot deset odstotkov površine celotne figure. Primer: okna v stanovanjih običajnih visokih stavb. Zato so videti črni.
Rayleigh-Jeans
Ta formula opisuje sevanje črnega telesa samo na podlagi podatkov, ki so na voljo klasični fiziki:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, kjer
u je samo spektralna gostota energijske svetilnosti, ω je frekvenca sevanja, kT je energija vibracij.
Če so valovne dolžine velike, so vrednosti verjetne in se dobro ujemajo s poskusom. Toda takoj, ko prečkamo mejo vidnega sevanja in vstopimo v ultravijolično območje elektromagnetnega spektra, energije dosežejo neverjetne vrednosti. Poleg tega pri integraciji formule po frekvenci od nič do neskončnosti dobimo neskončno vrednost! To dejstvo razkriva bistvo ultravijolične katastrofe: če je neko telo dovolj dobro segreto, bo njegova energija dovolj, da uniči vesolje.
Planck in njegov kvant
Številni znanstveniki so poskušali zaobiti ta paradoks. Preboj je znanost popeljal iz slepe ulice, skoraj intuitiven korak v neznano. Planckova hipoteza je pomagala premagati paradoks ultravijolične katastrofe. Planckova formula za frekvenčno porazdelitev sevanja črnega telesa je vsebovala koncept"kvantni". Sam znanstvenik ga je opredelil kot zelo majhno posamezno delovanje sistema na okoliški svet. Zdaj je kvant najmanjši nedeljiv del nekaterih fizikalnih količin.
Kvante so na voljo v različnih oblikah:
- elektromagnetno polje (foton, vključno v mavrici);
- vektorsko polje (gluon določa obstoj močne interakcije);
- gravitacijsko polje (graviton je še vedno čisto hipotetični delec, ki je v izračunih, vendar ga eksperimentalno še niso našli);
- Higgsova polja (Higgsov bozon je bil eksperimentalno odkrit ne tako dolgo nazaj v Velikem hadronskem trkalniku in celo ljudje, zelo oddaljeni od znanosti, so se veselili njegovega odkritja);
- sinhrono gibanje atomov mreže trdnega telesa (fonon).
Schrödingerjeva mačka in Maxwellov demon
Odkritje kvanta je privedlo do zelo pomembnih posledic: nastala je bistveno nova veja fizike. Kvantna mehanika, optika, teorija polja so povzročile eksplozijo znanstvenih odkritij. Ugledni znanstveniki so odkrili ali prepisali zakone. Dejstvo kvantizacije sistemov elementarnih delcev je pomagalo razložiti, zakaj Maxwellov demon ne more obstajati (pravzaprav so bile predlagane kar tri razlage). Vendar pa sam Max Planck zelo dolgo ni sprejel temeljne narave svojega odkritja. Verjel je, da je kvant priročen matematični način za izražanje določene misli, vendar ne več. Poleg tega se je znanstvenik smejal šoli novih fizikov. Zato je M. Planck prišel do nerešljivega, kot se mu je zdelo, paradoksao Schrödingerjevi mački. Uboga zver je bila hkrati živa in mrtva, kar si je nemogoče predstavljati. A tudi takšna naloga ima v okviru kvantne fizike dokaj jasno razlago, sama relativno mlada znanost pa že na vso moč stopa po planetu.
