Dnes si povieme o podstate takého konceptu ako „ultrafialová katastrofa“: prečo sa tento paradox objavil a či existujú spôsoby, ako ho vyriešiť.
Klasická fyzika
Pred príchodom kvanta svetu prírodných vied dominovala klasická fyzika. Samozrejme, matematika bola vždy považovaná za hlavnú. Ako aplikované vedy sa však najčastejšie používa algebra a geometria. Klasická fyzika skúma, ako sa telesá správajú pri zahrievaní, rozťahovaní a nárazoch. Opisuje premenu energie z kinetickej na vnútornú, hovorí o takých pojmoch ako práca a sila. Práve v tejto oblasti vznikla odpoveď na otázku, ako vznikla ultrafialová katastrofa vo fyzike.
V určitom bode boli všetky tieto javy tak dobre preštudované, že sa zdalo, že už nie je čo objavovať! Dospelo to do bodu, že talentovaným mladým ľuďom sa odporúčalo ísť k matematikom alebo biológom, keďže prelomy sú možné len v týchto oblastiach vedy. Ale ultrafialová katastrofa a zosúladenie praxe s teóriou dokázali mylnosť takýchto myšlienok.
Tepelné žiarenie
Klasická fyzika a paradoxy neboli ukrátené. Napríklad tepelné žiarenie sú kvantá elektromagnetického poľa, ktoré vznikajú vo vyhrievaných telesách. Vnútorná energia sa mení na svetlo. Žiarenie ohriateho telesa je podľa klasickej fyziky spojité spektrum a jeho maximum závisí od teploty: čím nižšia je hodnota teplomera, tým „červenšie“je najintenzívnejšie svetlo. Teraz sa priamo priblížime tomu, čo sa nazýva ultrafialová katastrofa.
Terminátor a tepelné žiarenie
Príkladom tepelného žiarenia sú zahriate a roztavené kovy. Filmy Terminator často obsahujú priemyselné zariadenia. V najdojímavejšej druhej časti eposu sa železný stroj ponorí do kúpeľa zurčiacej liatiny. A toto jazero je červené. Tento odtieň teda zodpovedá maximálnemu vyžarovaniu liatiny pri určitej teplote. To znamená, že takáto hodnota nie je najvyššia zo všetkých možných, pretože červený fotón má najmenšiu vlnovú dĺžku. Stojí za to pamätať: tekutý kov vyžaruje energiu v infračervenej, viditeľnej a ultrafialovej oblasti. Okrem červených je len veľmi málo fotónov.
Dokonalé čierne telo
Na získanie spektrálnej hustoty výkonu žiarenia zohriatej látky sa používa aproximácia čierneho telesa. Tento výraz znie strašidelne, ale v skutočnosti je vo fyzike veľmi užitočný a v skutočnosti nie je taký zriedkavý. Úplne čierne telo je teda objekt, ktorý „neuvoľňuje“predmety, ktoré naň spadli.fotóny. Navyše jeho farba (spektrum) závisí od teploty. Hrubou aproximáciou úplne čierneho telesa by bola kocka, na ktorej jednej strane je diera menšia ako desať percent plochy celej postavy. Príklad: okná v bytoch bežných výškových budov. Preto vyzerajú čierne.
Rayleigh-Jeans
Tento vzorec popisuje žiarenie čierneho telesa na základe údajov dostupných klasickej fyzike:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, kde
u je len spektrálna hustota svetelnej energie, ω je frekvencia žiarenia, kT je energia vibrácií.
Ak sú vlnové dĺžky veľké, potom sú hodnoty hodnoverné a dobre súhlasia s experimentom. Ale len čo prekročíme hranicu viditeľného žiarenia a vstúpime do ultrafialovej zóny elektromagnetického spektra, energie dosahujú neskutočné hodnoty. Navyše, pri integrácii vzorca cez frekvenciu od nuly do nekonečna sa získa nekonečná hodnota! Tento fakt odhaľuje podstatu ultrafialovej katastrofy: ak sa nejaké teleso dostatočne zahreje, jeho energia bude stačiť na zničenie vesmíru.
Planck a jeho kvantá
Mnoho vedcov sa pokúsilo tento paradox obísť. Prelom vyviedol vedu zo slepej uličky, takmer intuitívny krok do neznáma. Planckova hypotéza pomohla prekonať paradox ultrafialovej katastrofy. Planckov vzorec pre frekvenčné rozdelenie žiarenia čierneho telesa obsahoval koncept„kvantové“. Sám vedec to definoval ako veľmi malé jednotlivé pôsobenie systému na okolitý svet. Teraz je kvantum najmenšou nedeliteľnou časťou niektorých fyzikálnych veličín.
Kvanty majú mnoho podôb:
- elektromagnetické pole (fotón vrátane dúhy);
- vektorové pole (gluón určuje existenciu silnej interakcie);
- gravitačné pole (gravitón je stále čisto hypotetická častica, ktorá je vo výpočtoch, ale zatiaľ nebola experimentálne nájdená);
- Higgsove polia (Higgsov bozón bol experimentálne objavený nedávno vo Veľkom hadrónovom urýchľovači a dokonca aj ľudia veľmi vzdialení od vedy sa radovali z jeho objavu);
- synchrónny pohyb atómov mriežky pevného telesa (fonónu).
Schrödingerova mačka a Maxwellov démon
Objav kvanta viedol k veľmi významným dôsledkom: bol vytvorený zásadne nový odbor fyziky. Kvantová mechanika, optika, teória poľa spôsobili explóziu vedeckých objavov. Významní vedci objavili alebo prepísali zákony. Fakt kvantizácie systémov elementárnych častíc pomohol vysvetliť, prečo Maxwellov démon nemôže existovať (v skutočnosti boli navrhnuté až tri vysvetlenia). Sám Max Planck však zásadnú podstatu svojho objavu veľmi dlho neakceptoval. Veril, že kvantum je pohodlný matematický spôsob vyjadrenia určitej myšlienky, ale nič viac. Okrem toho sa vedec smial na škole nových fyzikov. Preto M. Planck prišiel s neriešiteľným, ako sa mu zdalo, paradoxomo Schrödingerovej mačke. Úbohá šelma bola živá aj mŕtva zároveň, čo si nemožno predstaviť. Ale aj takáto úloha má v rámci kvantovej fyziky celkom jasné vysvetlenie a samotná relatívne mladá veda už kráča po planéte mohutne a hlavne.
