Avui parlarem de l'essència d'un concepte com ara "catàstrofe ultraviolada": per què va aparèixer aquesta paradoxa i si hi ha maneres de resoldre'l.
Física clàssica
Abans de l'arribada del quàntic, el món de les ciències naturals estava dominat per la física clàssica. Per descomptat, les matemàtiques sempre han estat considerades la principal. Tanmateix, l'àlgebra i la geometria s'utilitzen amb més freqüència com a ciències aplicades. La física clàssica explora com es comporten els cossos quan s'escalfen, s'expandeixen i els impacten. Descriu la transformació de l'energia de cinètica a interna, parla de conceptes com el treball i la potència. És en aquesta àrea on va sorgir la resposta a la pregunta de com va sorgir la catàstrofe ultraviolada a la física.
En algun moment, tots aquests fenòmens estaven tan ben estudiats que semblava que no hi havia res més per descobrir! Va arribar al punt que es va aconsellar als joves talentosos que anessin a matemàtics o biòlegs, ja que els avenços només són possibles en aquestes àrees de la ciència. Però la catàstrofe ultraviolada i l'harmonització de la pràctica amb la teoria van demostrar la fal·làcia d'aquestes idees.
Radiació de calor
La física clàssica i les paradoxes no van ser privades. Per exemple, la radiació tèrmica és els quants del camp electromagnètic que sorgeixen en els cossos escalfats. L'energia interna es converteix en llum. Segons la física clàssica, la radiació d'un cos escalfat és un espectre continu, i el seu màxim depèn de la temperatura: com més baixa és la lectura del termòmetre, més "vermell" la llum més intensa. Ara ens aproparem directament al que s'anomena catàstrofe ultraviolada.
Terminador i radiació tèrmica
Un exemple de radiació tèrmica són els metalls escalfats i fosos. Les pel·lícules de Terminator solen incloure instal·lacions industrials. A la segona part més emotiva de l'èpica, la màquina de ferro s'enfonsa en un bany de ferro colat gorgotejant. I aquest llac és vermell. Per tant, aquesta ombra correspon a la radiació màxima de ferro colat amb una determinada temperatura. Això vol dir que aquest valor no és el més alt de tots possibles, perquè el fotó vermell té la longitud d'ona més petita. Val la pena recordar: el metall líquid irradia energia en l'infraroig, i en el visible i en la regió ultraviolada. Només hi ha molt pocs fotons a part del vermell.
Cos negre perfecte
Per obtenir la densitat de potència espectral de la radiació d'una substància escalfada, s'utilitza l'aproximació del cos negre. El terme sona espantós, però de fet és molt útil en física i no és tan rar en realitat. Per tant, un cos completament negre és un objecte que no "allibera" els objectes que hi han caigut.fotons. A més, el seu color (espectre) depèn de la temperatura. Una aproximació aproximada d'un cos completament negre seria un cub, en un costat del qual hi ha un forat inferior al deu per cent de l'àrea de tota la figura. Exemple: finestres d'apartaments d'edificis de gran alçada normals. Per això apareixen negres.
Rayleigh-Jeans
Aquesta fórmula descriu la radiació d'un cos negre, basant-se només en les dades disponibles per a la física clàssica:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, on
u és només la densitat espectral de lluminositat energètica, ω és la freqüència de radiació, kT és l'energia de vibració.
Si les longituds d'ona són grans, els valors són plausibles i coincideixen bé amb l'experiment. Però tan bon punt travessem la línia de radiació visible i entrem a la zona ultraviolada de l'espectre electromagnètic, les energies assoleixen valors increïbles. A més, en integrar la fórmula sobre freqüència de zero a infinit, s'obté un valor infinit! Aquest fet revela l'essència de la catàstrofe ultraviolada: si algun cos s'escalfa prou bé, la seva energia serà suficient per destruir l'univers.
Planck i el seu quàntic
Molts científics han intentat solucionar aquesta paradoxa. Un avenç va portar la ciència a sortir de l'atzucac, un pas gairebé intuïtiu cap al desconegut. La hipòtesi de Planck va ajudar a superar la paradoxa de la catàstrofe ultraviolada. La fórmula de Planck per a la distribució de freqüències de la radiació del cos negre contenia el concepte"quàntica". El mateix científic ho va definir com una acció única molt petita del sistema sobre el món circumdant. Ara un quàntic és la part indivisible més petita d'algunes magnituds físiques.
Les quantes tenen moltes formes:
- camp electromagnètic (fotó, inclòs en un arc de Sant Martí);
- camp vectorial (el gluó determina l'existència d'una interacció forta);
- camp gravitatori (el gravitó encara és una partícula purament hipotètica, que es troba als càlculs, però encara no s'ha trobat experimentalment);
- Camps de Higgs (el bosó de Higgs es va descobrir experimentalment no fa gaire al Gran Col·lisionador d'Hadrons, i fins i tot persones molt allunyades de la ciència es van alegrar amb el seu descobriment);
- moviment síncron dels àtoms de la xarxa d'un cos sòlid (fonó).
El gat de Schrödinger i el dimoni de Maxwell
El descobriment del quàntic va comportar conseqüències molt importants: es va crear una branca fonamentalment nova de la física. La mecànica quàntica, l'òptica, la teoria de camps van provocar una explosió de descobriments científics. Científics eminents van descobrir o reescriure lleis. El fet de quantificar sistemes de partícules elementals va ajudar a explicar per què el dimoni de Maxwell no pot existir (de fet, s'han proposat fins a tres explicacions). Tanmateix, el mateix Max Planck no va acceptar la naturalesa fonamental del seu descobriment durant molt de temps. Creia que un quàntic és una manera matemàtica convenient d'expressar un determinat pensament, però no més. A més, el científic es va riure de l'escola de nous físics. Per tant, M. Planck va plantejar una paradoxa irresoluble, segons li semblavasobre el gat de Schrödinger. La pobra bèstia estava viva i morta alhora, cosa impossible d'imaginar. Però fins i tot aquesta tasca té una explicació força clara en el marc de la física quàntica, i la mateixa ciència relativament jove ja està caminant pel planeta amb força i força.
