Ултравиолетова катастрофа: определение, същност и тълкуване

Днес ние разкаже за същността на понятия като "ултравиолетова катастрофа": Защо този парадокс и дали има начини за резолюцията.

Класическа физика

Преди появата на квант в света на естествените науки, класическата физика царуваше върховно. Разбира се, основното нещо винаги е било математиката. Обаче алгебра и геометрия най-често се използват като приложни науки. Класическата физика изследва как тялото се държи, когато се нагрява, разширява, удря. Той описва трансформацията на енергията от кинетичната към вътрешната, говори за концепции като работа и власт. В тази област е отговорът на въпроса как възниква ултравиолетовата катастрофа във физиката.

В един момент всички тези явления бяха толкова добре проучени, че изглежда, че няма какво повече да открием! Той стигна до точката, в която младите талантливи хора бяха посъветвани да отидат на математика или биология, тъй като пробиви са възможни само в тези области на науката. Но ултравиолетовата катастрофа и съгласието на практиката с теорията доказват грешката на такива представяния.

Топлинно излъчване

Не беше лишен от класическа физика и парадокси. Например, топлинното излъчване е кванти на електромагнитното поле, което възниква в отопляеми тела. Вътрешната енергия се превръща в светлина. Според класическата физика излъчването на отопляемо тяло е непрекъснат спектър, а неговият максимум зависи от температурата: колкото по-малък е термометърът, толкова по-червената е най-интензивната светлина. Сега ще стигнем директно до това, което се нарича ултравиолетова катастрофа.

Терминатор и топлинно излъчване

Пример за топлинно излъчване се загрява и разтопяват метали. Във филмите за Терминатора често се появяват промишлени обекти. В най-допиращата втора част на епизода желязната машина е потопена в баня от блестящ чугун. И това езеро има червен цвят. Така че този сянка съответства на максималното излъчване на чугун с определена температура. Това означава, че такава стойност не е най-високата от всички възможни, защото червеният фотон има най-късата дължина на вълната. Струва си да се помни: течен метал излъчва енергия както в инфрачервения, така и в видимия и ултравиолетовия. Само тук са фотоните, които са различни от червените, много малко.

Абсолютно черно тяло

За да се получи спектралната плътност на мощността на нагрятата субстанция, се използва приближението на черното тяло. Терминът звучи страшно, но всъщност е много полезен във физиката и не е толкова рядък в действителност. Така че абсолютно черно тяло е обект, който не "освобождава" фотоните, които са дошли при него. В същото време неговият цвят (спектър) зависи от температурата. Грубо приближение на абсолютно черно тяло ще бъде куб, едната страна на която има дупка по-малка от десет процента от площта на цялата фигура. Пример: прозорци в апартаменти на конвенционални многоетажни сгради. Следователно те изглеждат черни.

Рейл-джинското законодателство

Тази формула описва излъчването на абсолютно черно тяло, разчитайки само на данните, достъпни за класическата физика:

• u (омега-, Т) = kTomega-²/ pi-²в³, където
  u е просто спектралната плътност на енергийната яркост,
  Омега е честотата на излъчване,
  kT е енергията на трептене.

Ако дължините на вълните са големи, тогава стойностите са правдоподобни и се съгласяват добре с експеримента. Но веднага щом пресечем линията на видимо излъчване и влезем в ултравиолетовата ивица на електромагнитния спектър, енергиите достигат невероятни стойности. В допълнение, интегрирането на формулата над честотата от нула до безкрайност дава безкрайна стойност! Този факт разкрива същността на ултравиолетовата катастрофа: ако тялото се затопли достатъчно добре, енергията му ще бъде достатъчна, за да унищожи вселената.

Планк и квантът му

Много учени се опитаха да заобиколят този парадокс. Той донесе науката от безизходицата, пробив, почти интуитивна стъпка в неизвестното. Помогнаха да се преодолее парадоксът на ултравиолетовото бедствие Хипотезата на Планк. Формулата на Планк за разпределението на честотите на излъчване на абсолютно черно тяло съдържаше понятието "квант". Самият учен го дефинира като много малко единично действие на системата върху околния свят. Сега квантът е най-малката неделима част от някои физически величини.

Quanta идват в различни форми:

• Електромагнитно поле (фотон, включително в дъгата);
• векторно поле (глуонът определя наличието на силно взаимодействие);
• гравитационното поле (гравитонът все още е чисто хипотетична частица, която е в изчисления, но все още не е намерена експериментално);
• Хигс полета (бозонът на Хигс не толкова отдавна беше експериментално открит в голям хадричен сблъсък и откритието му се радваше и от хора, далеч от науката);
• синхронно движение на решетъчните атоми на твърдо (фонон).

Котката Шрьодингер и демонът на Максуел

Откриването на кванта доведе до много значими последствия: беше създаден изцяло нов клон на физика. Квантовата механика, оптиката, теорията на полето предизвикаха експлозия на научни открития. Изключителни учени са открили или пренаписвали законите. Фактът, че квантуването на елементарните частикови системи е помогнало да обясни защо демона на Максуел не може да съществува (всъщност са предложени три обяснения). Самият Макс Планк обаче не приемаше фундаменталната природа на своето откритие от много дълго време. Той вярва, че квантът е удобен математически начин за изразяване на мисъл, но не повече. Освен това ученият се засмя в училището на нови физици. Затова М. Планк изобретил неразрешим, както му се струваше, парадоксен за котката Шрьодингер. Бедното животно е жива и мъртва в същото време, че е невъзможно да си представи. Но такава задача има напълно ясно обяснение в рамките на квантовата физика, а самата сравнително млада наука вече се движи по планетата със силата и главната.