היום נדבר על המהות של מושג כזה כמו "קטסטרופה אולטרה סגולה": מדוע הופיע הפרדוקס הזה והאם יש דרכים לפתור אותו.
פיסיקה קלאסית
לפני הופעת הקוונטים, עולם מדעי הטבע נשלט על ידי הפיזיקה הקלאסית. כמובן שמתמטיקה תמיד נחשבה לעיקרית. עם זאת, אלגברה וגיאומטריה משמשים לרוב כמדעים יישומיים. הפיזיקה הקלאסית חוקרת כיצד גופים מתנהגים כאשר הם מחוממים, מתרחבים ופוגעים. הוא מתאר את השינוי של אנרגיה מקינטית לפנימית, מדבר על מושגים כמו עבודה וכוח. בתחום זה התעוררה התשובה לשאלה כיצד נוצרה האסון האולטרה סגול בפיזיקה.
בשלב מסוים, כל התופעות הללו נחקרו היטב עד שנראה שאין מה לגלות יותר! זה הגיע לנקודה שלצעירים מוכשרים הומלץ ללכת למתמטיקאים או לביולוגים, מכיוון שפריצות דרך אפשריות רק בתחומי המדע הללו. אבל הקטסטרופה האולטרה סגולה וההרמוניה בין הפרקטיקה לתיאוריה הוכיחו את הכשל של רעיונות כאלה.
קרינת חום
הפיסיקה הקלאסית והפרדוקסים לא נשללו.לדוגמה, קרינה תרמית היא הקוואנטה של השדה האלקטרומגנטי המתעוררים בגופים מחוממים. אנרגיה פנימית הופכת לאור. לפי הפיזיקה הקלאסית, הקרינה של גוף מחומם היא ספקטרום רציף, והמקסימום שלה תלוי בטמפרטורה: ככל שקריאת מד החום נמוכה יותר, כך האור העז ביותר "אדום" יותר. כעת ניגש ישירות למה שנקרא אסון האולטרה סגול.
טרמינטור וקרינה תרמית
דוגמה לקרינה תרמית היא מתכות מחוממות ומתכות מותכות. סרטי קטלנית כוללים לעתים קרובות מתקנים תעשייתיים. בחלק השני הנוגע ללב של האפוס, צוללת מכונת הברזל לתוך אמבט של ברזל יצוק מגרגר. והאגם הזה אדום. אז, גוון זה מתאים לקרינה המקסימלית של ברזל יצוק עם טמפרטורה מסוימת. המשמעות היא שערך כזה אינו הגבוה מכל האפשריים, מכיוון שלפוטון האדום יש את אורך הגל הקטן ביותר. כדאי לזכור: מתכת נוזלית מקרינה אנרגיה באינפרא אדום, ובנראה ובאזור האולטרה סגול. רק שיש מעט מאוד פוטונים מלבד אדום.
גוף שחור מושלם
כדי לקבל את צפיפות ההספק הספקטרלית של הקרינה של חומר מחומם, נעשה שימוש בקירוב הגוף השחור. המונח נשמע מפחיד, אבל למעשה הוא שימושי מאוד בפיזיקה ואינו נדיר כל כך במציאות. לכן, גוף שחור לחלוטין הוא חפץ שאינו "משחרר" את החפצים שנפלו אליו.פוטונים. יתר על כן, צבעו (ספקטרום) תלוי בטמפרטורה. קירוב גס של גוף שחור לחלוטין יהיה קובייה, שבצד אחד שלה יש חור פחות מעשרה אחוזים משטח הדמות כולה. דוגמה: חלונות בדירות של בניינים רבי קומות רגילים. זו הסיבה שהם נראים שחורים.
Rayleigh-Jeans
נוסחה זו מתארת את הקרינה של גוף שחור, בהתבסס רק על נתונים הזמינים לפיזיקה הקלאסית:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, שבו
u היא רק הצפיפות הספקטרלית של בהירות האנרגיה, ω היא תדר הקרינה, kT היא אנרגיית הרטט.
אם אורכי הגל גדולים, אז הערכים סבירים ומסתדרים היטב עם הניסוי. אבל ברגע שאנו חוצים את קו הקרינה הנראית ונכנסים לאזור האולטרה סגול של הספקטרום האלקטרומגנטי, האנרגיות מגיעות לערכים מדהימים. בנוסף, כאשר משלבים את הנוסחה על פני תדר מאפס עד אינסוף, מתקבל ערך אינסופי! עובדה זו חושפת את מהות האסון האולטרה סגול: אם גוף כלשהו יחומם מספיק טוב, האנרגיה שלו תספיק להרוס את היקום.
פלאנק והקוואנט שלו
מדענים רבים ניסו לעקוף את הפרדוקס הזה. פריצת דרך הובילה את המדע מהמבוי הסתום, צעד כמעט אינטואיטיבי אל הלא נודע. השערתו של פלאנק עזרה להתגבר על הפרדוקס של אסון האולטרה סגול. הנוסחה של פלאנק לחלוקת התדרים של קרינת גוף שחור הכילה את המושג"קוונטי". המדען עצמו הגדיר זאת כפעולה בודדת קטנה מאוד של המערכת על העולם הסובב. כעת קוונטי הוא החלק הקטן ביותר הבלתי ניתן לחלוקה מכמה כמויות פיזיות.
קוואנטות מגיעות בצורות רבות:
- שדה אלקטרומגנטי (פוטון, כולל בקשת בענן);
- שדה וקטור (גלואון קובע את קיומה של אינטראקציה חזקה);
- שדה כבידה (גרביטון הוא עדיין חלקיק היפותטי בלבד, שנמצא בחישובים, אבל הוא עדיין לא נמצא בניסוי);
- שדות היגס (הבוזון של היגס התגלה בניסוי לא כל כך מזמן במאיץ ההדרונים הגדול, ואפילו אנשים רחוקים מאוד מהמדע שמחו על גילויו);
- תנועה סינכרונית של אטומים של הסריג של גוף מוצק (פונון).
החתול של שרדינגר והשד של מקסוול
גילוי הקוונט הוביל לתוצאות משמעותיות מאוד: נוצר ענף חדש ביסודו של הפיזיקה. מכניקת הקוונטים, אופטיקה, תורת השדה גרמו לפיצוץ של תגליות מדעיות. מדענים בולטים גילו או שכתבו חוקים. עובדת הקוונטיזציה של מערכות של חלקיקים יסודיים עזרה להסביר מדוע שד מקסוול אינו יכול להתקיים (למעשה, הוצעו עד שלושה הסברים). עם זאת, מקס פלאנק עצמו לא קיבל את הטבע הבסיסי של הגילוי שלו במשך זמן רב מאוד. הוא האמין שקוונטי היא דרך מתמטית נוחה לבטא מחשבה מסוימת, אבל לא יותר. יתר על כן, המדען צחק על בית הספר לפיסיקאים חדשים. לכן, מ' פלאנק מצא פרדוקס בלתי פתיר, כפי שנראה לועל החתול של שרדינגר. החיה המסכנה הייתה גם חיה וגם מתה בו זמנית, דבר שאי אפשר לדמיין. אבל גם למשימה כזו יש הסבר די ברור במסגרת הפיזיקה הקוונטית, והמדע הצעיר יחסית עצמו כבר צועד על פני כדור הארץ בעוצמה ובעיקר.
