Oggi parleremo dell'essenza di un concetto come "catastrofe ultravioletta": perché è apparso questo paradosso e se ci sono modi per risolverlo.
Fisica classica
Prima dell'avvento dei quanti, il mondo delle scienze naturali era dominato dalla fisica classica. Naturalmente, la matematica è sempre stata considerata la principale. Tuttavia, l'algebra e la geometria sono spesso usate come scienze applicate. La fisica classica esplora come si comportano i corpi quando vengono riscaldati, espansi e colpiti. Descrive la trasformazione dell'energia da cinetica a interna, parla di concetti come lavoro e potere. È in quest'area che la risposta alla domanda su come è sorta la catastrofe ultravioletta in fisica.
A un certo punto, tutti questi fenomeni sono stati così ben studiati che sembrava che non ci fosse più niente da scoprire! È arrivato al punto che ai giovani di talento è stato consigliato di rivolgersi a matematici o biologi, poiché le scoperte sono possibili solo in queste aree della scienza. Ma la catastrofe ultravioletta e l'armonizzazione della pratica con la teoria hanno dimostrato l'errore di tali idee.
Radiazione termica
Fisica classica e paradossi non sono stati privati. Ad esempio, la radiazione termica è i quanti del campo elettromagnetico che si formano nei corpi riscaldati. L'energia interna si trasforma in luce. Secondo la fisica classica, la radiazione di un corpo riscaldato è uno spettro continuo e il suo massimo dipende dalla temperatura: più bassa è la lettura del termometro, più “rossa” è la luce più intensa. Ora ci avvicineremo direttamente a quella che viene chiamata la catastrofe ultravioletta.
Terminatore e radiazione termica
Un esempio di radiazione termica sono i metalli riscaldati e fusi. I film Terminator presentano spesso strutture industriali. Nella seconda parte più toccante dell'epopea, la macchina di ferro si tuffa in un bagno di ghisa gorgogliante. E questo lago è rosso. Quindi, questa tonalità corrisponde alla radiazione massima della ghisa con una certa temperatura. Ciò significa che un tale valore non è il più alto possibile, perché il fotone rosso ha la lunghezza d'onda più piccola. Vale la pena ricordare: il metallo liquido irradia energia nell'infrarosso, nel visibile e nell'ultravioletto. Solo ci sono pochissimi fotoni diversi dal rosso.
Corpo nero perfetto
Per ottenere la densità di potenza spettrale della radiazione di una sostanza riscaldata, viene utilizzata l'approssimazione del corpo nero. Il termine suona spaventoso, ma in re altà è molto utile in fisica e non è così raro nella re altà. Quindi, un corpo completamente nero è un oggetto che non "rilascia" gli oggetti che gli sono caduti.fotoni. Inoltre, il suo colore (spettro) dipende dalla temperatura. Un'approssimazione approssimativa di un corpo completamente nero sarebbe un cubo, in un lato del quale c'è un buco inferiore al dieci percento dell'area dell'intera figura. Esempio: finestre in appartamenti di grattacieli ordinari. Ecco perché appaiono neri.
Rayleigh-Jeans
Questa formula descrive la radiazione di un corpo nero, basata solo sui dati disponibili per la fisica classica:
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u(ω, T)=kTω2/π2c3, dove
u è solo la densità spettrale della luminosità dell'energia, ω è la frequenza di radiazione, kT è l'energia di vibrazione.
Se le lunghezze d'onda sono grandi, i valori sono plausibili e concordano bene con l'esperimento. Ma non appena oltrepassiamo la linea della radiazione visibile ed entriamo nella zona ultravioletta dello spettro elettromagnetico, le energie raggiungono valori incredibili. Inoltre, integrando la formula sulla frequenza da zero a infinito, si ottiene un valore infinito! Questo fatto rivela l'essenza della catastrofe ultravioletta: se un corpo viene riscaldato abbastanza bene, la sua energia sarà sufficiente a distruggere l'universo.
Planck e il suo quantum
Molti scienziati hanno cercato di aggirare questo paradosso. Una svolta ha portato la scienza fuori dall'impasse, un passo quasi intuitivo verso l'ignoto. L'ipotesi di Planck ha contribuito a superare il paradosso della catastrofe ultravioletta. La formula di Planck per la distribuzione di frequenza della radiazione del corpo nero conteneva il concetto"quanto". Lo stesso scienziato l'ha definita come una piccolissima singola azione del sistema sul mondo circostante. Ora un quanto è la più piccola porzione indivisibile di alcune quantità fisiche.
I quanti sono disponibili in molte forme:
- campo elettromagnetico (fotone, incluso in un arcobaleno);
- campo vettoriale (il gluone determina l'esistenza di una forte interazione);
- campo gravitazionale (il gravitone è ancora una particella puramente ipotetica, che è nei calcoli, ma non è stata ancora trovata sperimentalmente);
- Campi di Higgs (il bosone di Higgs è stato scoperto sperimentalmente non molto tempo fa nel Large Hadron Collider, e anche persone molto lontane dalla scienza si sono rallegrate della sua scoperta);
- moto sincrono degli atomi del reticolo di un corpo solido (fonone).
Il gatto di Schrödinger e il demone di Maxwell
La scoperta del quantistico ha portato a conseguenze molto significative: è stata creata una branca della fisica fondamentalmente nuova. La meccanica quantistica, l'ottica, la teoria dei campi hanno causato un'esplosione di scoperte scientifiche. Eminenti scienziati hanno scoperto o riscritto leggi. Il fatto della quantizzazione dei sistemi di particelle elementari ha aiutato a spiegare perché il demone Maxwell non può esistere (infatti sono state proposte ben tre spiegazioni). Tuttavia, lo stesso Max Planck non ha accettato per molto tempo la natura fondamentale della sua scoperta. Credeva che un quanto fosse un modo matematico conveniente per esprimere un certo pensiero, ma non di più. Inoltre, lo scienziato ha riso della scuola di nuovi fisici. Pertanto, M. Planck ha escogitato un paradosso irrisolvibile, come gli sembravasul gatto di Schrödinger. La povera bestia era viva e morta allo stesso tempo, cosa impossibile da immaginare. Ma anche un compito del genere ha una spiegazione abbastanza chiara nel quadro della fisica quantistica, e la stessa scienza relativamente giovane sta già attraversando il pianeta a grandi passi con forza e forza.
