امروز در مورد ماهیت مفهومی مانند "فاجعه ماوراء بنفش" صحبت خواهیم کرد: چرا این پارادوکس ظاهر شد و آیا راه هایی برای حل آن وجود دارد.
فیزیک کلاسیک
قبل از ظهور کوانتوم، دنیای علوم طبیعی تحت سلطه فیزیک کلاسیک بود. البته ریاضیات همیشه اصلی در نظر گرفته شده است. با این حال، جبر و هندسه بیشتر به عنوان علوم کاربردی مورد استفاده قرار می گیرند. فیزیک کلاسیک به بررسی نحوه رفتار اجسام هنگام گرم شدن، انبساط و ضربه می پردازد. این تبدیل انرژی از جنبشی به درونی را توصیف می کند، در مورد مفاهیمی مانند کار و قدرت صحبت می کند. در این زمینه است که پاسخ به این سوال که چگونه فاجعه ماوراء بنفش در فیزیک بوجود آمد.
در مقطعی، همه این پدیده ها آنقدر خوب بررسی شدند که به نظر می رسید چیز دیگری برای کشف وجود ندارد! کار به جایی رسید که به جوانان با استعداد توصیه شد که به ریاضیدانان یا زیست شناسان مراجعه کنند، زیرا پیشرفت فقط در این زمینه های علمی امکان پذیر است. اما فاجعه ماوراء بنفش و هماهنگی عمل با تئوری غلط بودن چنین ایده هایی را ثابت کرد.
تابش گرما
فیزیک کلاسیک و پارادوکس ها بی نصیب نبود.به عنوان مثال، تابش حرارتی کوانتوم میدان الکترومغناطیسی است که در اجسام گرم شده ایجاد می شود. انرژی درونی به نور تبدیل می شود. طبق فیزیک کلاسیک، تابش یک جسم گرم شده یک طیف پیوسته است و حداکثر آن به دما بستگی دارد: هر چه دماسنج کمتر باشد، "قرمزتر" شدیدترین نور است. اکنون ما مستقیماً به آنچه فاجعه ماوراء بنفش نامیده می شود نزدیک خواهیم شد.
ترمیناتور و تشعشعات حرارتی
یک مثال از تابش حرارتی فلزات گرم شده و مذاب هستند. فیلم های ترمیناتور اغلب دارای امکانات صنعتی هستند. در تاثیرگذارترین بخش دوم حماسه، دستگاه آهن در حمامی از چدن غرغر می‌رود. و این دریاچه قرمز است. بنابراین، این سایه با حداکثر تابش چدن با دمای مشخص مطابقت دارد. این بدان معنی است که چنین مقداری بالاترین مقدار ممکن نیست، زیرا فوتون قرمز کوچکترین طول موج را دارد. شایان ذکر است: فلز مایع انرژی را در مادون قرمز، در قسمت مرئی و در ناحیه ماوراء بنفش تابش می کند. فقط فوتون های بسیار کمی غیر از قرمز وجود دارد.
تن سیاه کامل
برای به دست آوردن چگالی توان طیفی تابش یک ماده گرم شده، از تقریب جسم سیاه استفاده می شود. این اصطلاح ترسناک به نظر می رسد، اما در واقع در فیزیک بسیار مفید است و در واقعیت چندان نادر نیست. بنابراین، جسم کاملاً سیاه جسمی است که اجسامی را که به آن افتاده اند «رها» نمی کند.فوتون ها علاوه بر این، رنگ (طیف) آن به دما بستگی دارد. تقریب تقریبی یک جسم کاملاً سیاه، مکعبی است که در یک طرف آن سوراخی کمتر از ده درصد از مساحت کل شکل وجود دارد. مثال: پنجره ها در آپارتمان های ساختمان های مرتفع معمولی. به همین دلیل آنها سیاه به نظر می رسند.
Rayleigh-Jeans
این فرمول تشعشع یک جسم سیاه را فقط بر اساس داده های موجود در فیزیک کلاسیک توصیف می کند:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3، جایی که
u فقط چگالی طیفی درخشندگی انرژی است،
ω فرکانس تابش است،
kT انرژی ارتعاش است.
ω فرکانس تابش است.
اگر طول موج ها بزرگ هستند، پس مقادیر قابل قبول هستند و به خوبی با آزمایش مطابقت دارند. اما به محض عبور از خط تابش مرئی و وارد شدن به ناحیه فرابنفش طیف الکترومغناطیسی، انرژی ها به مقادیر باورنکردنی می رسند. علاوه بر این، هنگام ادغام فرمول روی فرکانس از صفر تا بی نهایت، یک مقدار بی نهایت به دست می آید! این واقعیت جوهر فاجعه فرابنفش را آشکار می کند: اگر جسمی به اندازه کافی گرم شود، انرژی آن برای نابودی جهان کافی است.
پلانک و کوانتومش
بسیاری از دانشمندان تلاش کرده اند تا پیرامون این پارادوکس کار کنند. یک پیشرفت، علم را از بن بست خارج کرد، گامی تقریباً شهودی به سوی ناشناخته. فرضیه پلانک به غلبه بر پارادوکس فاجعه فرابنفش کمک کرد. فرمول پلانک برای توزیع فرکانس تابش جسم سیاه حاوی این مفهوم بود"کوانتومی". خود دانشمند آن را به عنوان یک عمل بسیار کوچک منفرد سیستم بر روی دنیای اطراف تعریف کرد. اکنون یک کوانتوم کوچکترین بخش تقسیم ناپذیر برخی از کمیت های فیزیکی است.
کوانتات به اشکال مختلفی وجود دارد:
- میدان الکترومغناطیسی (فوتون، از جمله در رنگین کمان)؛
- میدان برداری (گلئون وجود برهمکنش قوی را تعیین می کند)؛
- میدان گرانشی (گراویتون هنوز یک ذره کاملاً فرضی است که در محاسبات وجود دارد، اما هنوز به طور تجربی پیدا نشده است)؛
- میدان های هیگز (بوزون هیگز به طور تجربی نه چندان دور در برخورد دهنده بزرگ هادرون کشف شد، و حتی افراد بسیار دور از علم از کشف آن خوشحال شدند)؛
- حرکت همزمان اتم های شبکه یک جسم جامد (فونون).
گربه شرودینگر و دیو ماکسول
کشف کوانتوم به پیامدهای بسیار مهمی منجر شد: شاخه ای اساساً جدید از فیزیک ایجاد شد. مکانیک کوانتومی، اپتیک، نظریه میدان باعث انفجاری از اکتشافات علمی شد. دانشمندان برجسته قوانینی را کشف یا بازنویسی کردند. واقعیت کوانتیزاسیون سیستم‌های ذرات بنیادی به توضیح اینکه چرا دیو ماکسول نمی‌تواند وجود داشته باشد کمک کرد (در واقع، سه توضیح ارائه شده است). با این حال، خود ماکس پلانک ماهیت اساسی کشف خود را برای مدت بسیار طولانی نپذیرفت. او معتقد بود که کوانتوم یک روش ریاضی مناسب برای بیان یک فکر خاص است، اما نه بیشتر. علاوه بر این، دانشمند به مدرسه فیزیکدانان جدید خندید. بنابراین، M. Planck با یک پارادوکس غیرقابل حل، همانطور که به نظر می رسید، آمددر مورد گربه شرودینگر حیوان بیچاره هم زنده و هم مرده بود که تصورش غیرممکن است. اما حتی چنین وظیفه ای توضیح کاملاً روشنی در چارچوب فیزیک کوانتومی دارد و خود علم نسبتاً جوان در حال حاضر با قدرت و اصلی در سراسر سیاره قدم می زند.
