Vandaag zullen we het hebben over de essentie van een concept als "ultraviolette catastrofe": waarom deze paradox verscheen en of er manieren zijn om het op te lossen.
Klassieke natuurkunde
Voor de komst van het kwantum werd de wereld van de natuurwetenschappen gedomineerd door de klassieke natuurkunde. Natuurlijk is wiskunde altijd als de belangrijkste beschouwd. Algebra en meetkunde worden echter het meest gebruikt als toegepaste wetenschappen. Klassieke natuurkunde onderzoekt hoe lichamen zich gedragen wanneer ze worden verwarmd, uitgezet en geraakt. Het beschrijft de transformatie van energie van kinetisch naar intern, spreekt over concepten als werk en macht. Het is in dit gebied dat het antwoord op de vraag hoe de ultraviolette catastrofe in de natuurkunde ontstond.
Op een gegeven moment werden al deze verschijnselen zo goed bestudeerd dat het leek alsof er niets meer te ontdekken viel! Het kwam op het punt dat getalenteerde jonge mensen het advies kregen om naar wiskundigen of biologen te gaan, omdat doorbraken alleen mogelijk zijn in deze wetenschapsgebieden. Maar de ultraviolette catastrofe en de harmonisatie van de praktijk met de theorie bewees de misvatting van dergelijke ideeën.
Warmtestraling
Klassieke natuurkunde en paradoxen werden niet beroofd. Thermische straling is bijvoorbeeld de kwanta van het elektromagnetische veld dat ontstaat in verwarmde lichamen. Interne energie wordt licht. Volgens de klassieke natuurkunde is de straling van een verwarmd lichaam een continu spectrum en het maximum hangt af van de temperatuur: hoe lager de thermometer, hoe "roder" het meest intense licht. Nu zullen we direct naderen wat de ultraviolette catastrofe wordt genoemd.
Terminator en thermische straling
Een voorbeeld van thermische straling is verwarmde en gesmolten metalen. Terminator-films bevatten vaak industriële faciliteiten. In het meest ontroerende tweede deel van het epos duikt de ijzeren machine in een bad van borrelend gietijzer. En dit meer is rood. Deze tint komt dus overeen met de maximale uitstraling van gietijzer bij een bepaalde temperatuur. Dit betekent dat zo'n waarde niet de hoogst mogelijke is, omdat het rode foton de kleinste golflengte heeft. Het is de moeite waard om te onthouden: vloeibaar metaal stra alt energie uit in het infrarood, in het zichtbare en in het ultraviolette gebied. Alleen zijn er maar heel weinig andere fotonen dan rood.
Perfect zwart lichaam
Om de spectrale vermogensdichtheid van de straling van een verwarmde substantie te verkrijgen, wordt de zwarte-lichaamsbenadering gebruikt. De term klinkt eng, maar in feite is het erg nuttig in de natuurkunde en is het in werkelijkheid niet zo zeldzaam. Een volledig zwart lichaam is dus een object dat de objecten die erop zijn gevallen niet "loslaat".fotonen. Bovendien is de kleur (spectrum) temperatuurafhankelijk. Een ruwe benadering van een volledig zwart lichaam zou een kubus zijn, met aan één kant een gat van minder dan tien procent van het oppervlak van de hele figuur. Voorbeeld: ramen in appartementen van gewone hoogbouw. Daarom lijken ze zwart.
Rayleigh-Jeans
Deze formule beschrijft de straling van een zwart lichaam, alleen gebaseerd op gegevens die beschikbaar zijn in de klassieke natuurkunde:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, waar
u is gewoon de spectrale dichtheid van energiehelderheid, ω is de stralingsfrequentie, kT is de trillingsenergie.
Als de golflengten groot zijn, dan zijn de waarden aannemelijk en komen ze goed overeen met het experiment. Maar zodra we de lijn van zichtbare straling overschrijden en de ultraviolette zone van het elektromagnetische spectrum binnengaan, bereiken de energieën ongelooflijke waarden. Bovendien wordt bij het integreren van de formule over frequentie van nul tot oneindig een oneindige waarde verkregen! Dit feit onthult de essentie van de ultraviolette catastrofe: als een lichaam goed genoeg wordt verwarmd, zal zijn energie voldoende zijn om het universum te vernietigen.
Planck en zijn kwantum
Veel wetenschappers hebben geprobeerd om deze paradox te omzeilen. Een doorbraak leidde de wetenschap uit de impasse, een bijna intuïtieve stap in het onbekende. Plancks hypothese hielp de paradox van de ultraviolette catastrofe te overwinnen. De formule van Planck voor de frequentieverdeling van zwarte lichaamsstraling bevatte het concept:"quantum". De wetenschapper definieerde het zelf als een zeer kleine enkele actie van het systeem op de omringende wereld. Nu is een kwantum het kleinste ondeelbare deel van sommige fysieke grootheden.
Quanta's zijn er in vele vormen:
- elektromagnetisch veld (foton, ook in een regenboog);
- vectorveld (gluon bepa alt het bestaan van sterke interactie);
- zwaartekrachtveld (graviton is nog steeds een puur hypothetisch deeltje, dat wel in de berekeningen zit, maar het is nog niet experimenteel gevonden);
- Higgs-velden (het Higgs-deeltje werd niet zo lang geleden experimenteel ontdekt in de Large Hadron Collider, en zelfs mensen die heel ver van de wetenschap verwijderd waren, waren verheugd over de ontdekking ervan);
- synchrone beweging van atomen van het rooster van een vast lichaam (fonon).
De kat van Schrödinger en de demon van Maxwell
De ontdekking van het kwantum leidde tot zeer significante gevolgen: er werd een fundamenteel nieuwe tak van de natuurkunde gecreëerd. Kwantummechanica, optica, veldentheorie veroorzaakten een explosie van wetenschappelijke ontdekkingen. Eminente wetenschappers ontdekten of herschreven wetten. Het feit van kwantisering van systemen van elementaire deeltjes hielp verklaren waarom de Maxwell-demon niet kan bestaan (in feite zijn er maar liefst drie verklaringen voorgesteld). Max Planck zelf accepteerde het fundamentele karakter van zijn ontdekking echter lange tijd niet. Hij geloofde dat een kwantum een handige wiskundige manier is om een bepaalde gedachte uit te drukken, maar meer niet. Bovendien lachte de wetenschapper om de school van nieuwe natuurkundigen. Daarom bedacht M. Planck een onoplosbare, zoals het hem leek, paradoxover de kat van Schrödinger. Het arme beest was zowel levend als dood tegelijk, wat je je niet kunt voorstellen. Maar zelfs zo'n taak heeft een vrij duidelijke verklaring binnen het kader van de kwantumfysica, en de relatief jonge wetenschap zelf schrijdt al met grote kracht over de planeet.
