Hari ini kita akan berbicara tentang esensi dari konsep seperti "bencana ultraviolet": mengapa paradoks ini muncul dan apakah ada cara untuk mengatasinya.
Fisika klasik
Sebelum munculnya kuantum, dunia ilmu pengetahuan alam didominasi oleh fisika klasik. Tentu saja, matematika selalu dianggap yang utama. Namun, aljabar dan geometri paling sering digunakan sebagai ilmu terapan. Fisika klasik mengeksplorasi bagaimana tubuh berperilaku ketika dipanaskan, diperluas, dan dipukul. Ini menggambarkan transformasi energi dari kinetik ke internal, berbicara tentang konsep-konsep seperti pekerjaan dan daya. Di area inilah jawaban atas pertanyaan bagaimana bencana ultraviolet dalam fisika muncul.
Pada titik tertentu, semua fenomena ini dipelajari dengan sangat baik sehingga tampaknya tidak ada lagi yang bisa ditemukan! Sampai-sampai orang muda berbakat disarankan untuk pergi ke ahli matematika atau biologi, karena terobosan hanya mungkin dilakukan di bidang sains ini. Tetapi bencana ultraviolet dan harmonisasi praktik dengan teori membuktikan kekeliruan gagasan semacam itu.
Radiasi panas
Fisika klasik dan paradoks tidak hilang. Misalnya, radiasi termal adalah kuanta medan elektromagnetik yang muncul pada benda yang dipanaskan. Energi internal berubah menjadi cahaya. Menurut fisika klasik, radiasi benda yang dipanaskan adalah spektrum kontinu, dan maksimumnya tergantung pada suhu: semakin rendah pembacaan termometer, semakin "merah" cahaya yang paling intens. Sekarang kita akan langsung mendekati apa yang disebut dengan bencana ultraviolet.
Terminator dan radiasi termal
Contoh radiasi termal adalah logam yang dipanaskan dan meleleh. Film terminator sering menampilkan fasilitas industri. Di bagian kedua yang paling menyentuh dari epik, mesin besi terjun ke bak besi cor berdeguk. Dan danau ini berwarna merah. Jadi, naungan ini sesuai dengan radiasi maksimum besi cor dengan suhu tertentu. Ini berarti bahwa nilai tersebut bukanlah yang tertinggi dari semua kemungkinan, karena foton merah memiliki panjang gelombang terkecil. Perlu diingat: logam cair memancarkan energi di inframerah, dan terlihat, dan di wilayah ultraviolet. Hanya ada sedikit foton selain merah.
Tubuh hitam sempurna
Untuk mendapatkan rapat daya spektral radiasi zat yang dipanaskan, digunakan pendekatan benda hitam. Istilah ini terdengar menakutkan, tetapi sebenarnya sangat berguna dalam fisika dan tidak jarang dalam kenyataan. Jadi, benda yang benar-benar hitam adalah benda yang tidak “melepaskan” benda yang jatuh padanya.foton. Selain itu, warnanya (spektrum) tergantung pada suhu. Perkiraan kasar dari benda yang benar-benar hitam adalah kubus, di satu sisinya ada lubang kurang dari sepuluh persen dari luas keseluruhan gambar. Contoh: jendela di apartemen gedung bertingkat biasa. Itu sebabnya mereka tampak hitam.
Rayleigh-Jeans
Rumus ini menjelaskan radiasi benda hitam, hanya berdasarkan data yang tersedia untuk fisika klasik:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, dimana
u hanyalah kerapatan spektral dari luminositas energi, ω adalah frekuensi radiasi, kT adalah energi getaran.
Jika panjang gelombangnya besar, maka nilainya masuk akal dan sesuai dengan eksperimen. Tetapi begitu kita melewati garis radiasi tampak dan memasuki zona ultraviolet spektrum elektromagnetik, energinya mencapai nilai yang luar biasa. Selain itu, ketika mengintegrasikan rumus frekuensi dari nol hingga tak terhingga, nilai tak terhingga diperoleh! Fakta ini mengungkapkan esensi dari bencana ultraviolet: jika suatu benda dipanaskan dengan cukup baik, energinya akan cukup untuk menghancurkan alam semesta.
Planck dan kuantumnya
Banyak ilmuwan telah mencoba mengatasi paradoks ini. Sebuah terobosan membawa sains keluar dari jalan buntu, sebuah langkah yang hampir intuitif menuju yang tidak diketahui. Hipotesis Planck membantu mengatasi paradoks bencana ultraviolet. Rumus Planck untuk distribusi frekuensi radiasi benda hitam mengandung konsep"kuantum". Ilmuwan itu sendiri mendefinisikannya sebagai tindakan tunggal yang sangat kecil dari sistem di dunia sekitarnya. Sekarang kuantum adalah bagian terkecil yang tidak dapat dibagi dari beberapa besaran fisika.
Quantas hadir dalam berbagai bentuk:
- medan elektromagnetik (foton, termasuk dalam pelangi);
- bidang vektor (gluon menentukan adanya interaksi yang kuat);
- medan gravitasi (graviton masih merupakan partikel hipotetis murni, yang dalam perhitungan, tetapi belum ditemukan secara eksperimental);
- Ladang Higgs (Higgs boson ditemukan secara eksperimental belum lama ini di Large Hadron Collider, dan bahkan orang-orang yang sangat jauh dari sains bersukacita atas penemuannya);
- gerakan sinkron atom-atom kisi suatu benda padat (fonon).
Kucing Schrödinger dan iblis Maxwell
Penemuan kuantum membawa konsekuensi yang sangat signifikan: cabang fisika baru yang fundamental telah diciptakan. Mekanika kuantum, optik, teori medan menyebabkan ledakan penemuan ilmiah. Ilmuwan terkemuka menemukan atau menulis ulang hukum. Fakta kuantisasi sistem partikel elementer membantu menjelaskan mengapa iblis Maxwell tidak dapat eksis (pada kenyataannya, sebanyak tiga penjelasan telah diajukan). Namun, Max Planck sendiri tidak menerima sifat dasar penemuannya untuk waktu yang sangat lama. Dia percaya bahwa kuantum adalah cara matematika yang nyaman untuk mengekspresikan pemikiran tertentu, tetapi tidak lebih. Selain itu, ilmuwan itu menertawakan sekolah fisikawan baru. Oleh karena itu, M. Planck muncul dengan paradoks yang tidak terpecahkan, seperti yang terlihat baginyatentang kucing Schrödinger. Binatang malang itu hidup dan mati pada saat yang sama, yang tidak mungkin dibayangkan. Tetapi bahkan tugas seperti itu memiliki penjelasan yang cukup jelas dalam kerangka fisika kuantum, dan sains yang relatif muda itu sendiri sudah melangkah melintasi planet dengan kekuatan dan utama.
