Сьогодні ми розповімо про сутність такого поняття, як «ультрафіолетова катастрофа»: чому з'явився цей парадокс і чи є шляхи його дозволу.

Класична фізика

До виникнення кванта в світі природної науки панувала класична фізика. Звичайно, головною завжди вважалася математика. Однак алгебра і геометрія найчастіше використовуються прикладні науки. Класична фізика досліджує те, як ведуть себе тіла при нагріванні, розширення, ударах. Вона описує перетворення енергії з кінетичної у внутрішню, розповідає про такі поняття, як робота і потужність. Саме в цій області лежить відповідь на питання, як виникла ультрафіолетова катастрофа у фізиці.


В якийсь момент всі ці феномени були настільки добре вивчені, що здавалося, більше і відкривати-то нічого! Дійшло до того, що талановитої молоді радили йти в математики або біологи, так як прориви можливі тільки в цих областях науки. Але ультрафіолетова катастрофа та узгодження практики з теорією довели помилковість подібних уявлень.

Теплове випромінювання

Не була позбавлена класична фізика і парадоксів. Наприклад, теплове випромінювання – це кванти електромагнітного поля, які виникають в нагрітих тіл. Внутрішня енергія перетворюється в світло. Згідно класичної фізики, випромінювання нагрітого тіла являє собою суцільний спектр, і його максимум залежить від температури: чим менше показання термометра, тим «червонішим» найбільш інтенсивне світло. Тепер ми безпосередньо підберемося до того, що називають ультрафіолетової катастрофою.

Термінатор і теплове випромінювання

Приклад теплового випромінювання – це нагріті і розплавлені метали. У фільмах про Термінаторі часто з'являються промислові об'єкти. У самої зворушливою другій частині епопеї залізна машина занурюється у ванну булькаючого чавуну. І це озеро має червоний колір. Так от, цей відтінок відповідає максимуму випромінювання чавуну з певною температурою. А це означає, що така величина не найвища з усіх можливих, адже червоний фотон має найменшу довжину хвилі. Варто пам'ятати: рідкий метал випромінює енергію і в інфрачервоній, і у видимій, і в ультрафіолетовій області. Тільки от фотонів, відмінних від червоних, дуже мало.

Абсолютно чорне тіло

Щоб отримати спектральну щільність потужності випромінювання нагрітого речовини, використовують наближення абсолютно чорного тіла. Термін страшно звучить, але насправді він дуже корисний у фізиці і не так вже рідко зустрічається в реальності. Отже, абсолютно чорне тіло – об'єкт, який не «випускає» потрапили до нього фотони. При цьому його колір (спектр) залежить від температури. Грубим наближенням абсолютно чорного тіла буде куб, на одній стороні якого є отвір розміром менше десяти відсотків від площі всієї фігури. Приклад: вікна в квартирах звичайних багатоповерхових будинків. Тому вони здаються чорними.

Закон Релея-Джинса

Ця формула описує випромінювання абсолютно чорного тіла, спираючись лише на доступні класичної фізики дані:

u(?, T)= kT? 2 /? 2 c 3 , де
u – це як раз спектральна щільність енергетичної світності,
? – частота випромінювання,
kT – енергія коливань.

Якщо довжини хвиль великі, то значення правдоподібні і добре узгоджуються з експериментом. Але як тільки ми переходимо межу видимого випромінювання і вступаємо в ультрафіолетову зону електромагнітного спектра, то енергії досягають неймовірних величин. Крім того, при інтегруванні формули по частоті від нуля до нескінченності виходить нескінченне значення! Цей факт розкриває, у чому сутність ультрафіолетової катастрофи: якщо якесь тіло нагріти досить добре, його енергії буде достатньо для знищення всесвіту.

Планк і його квант

Багато вчених намагалися обійти цей парадокс. Вивів науку з глухого кута прорив, майже інтуїтивний крок у невідомість. Допомогла подолати парадокс ультрафіолетової катастрофи гіпотеза Планка. Формула Планка для розподілу частот випромінювання абсолютно чорного тіла містила в собі поняття «квант». Сам вчений визначив його як дуже маленьке одиничне дію системи на навколишній світ. Зараз квант – це найменша неподільна порція деяких фізичних величин. Кванти бувають різних видів:

електромагнітного поля (фотон, в тому числі у веселці);

векторного поля (глюон визначає існування сильної взаємодії);

гравітаційного поля (гравітон - поки що чисто гіпотетична частинка, яка є в розрахунках, але вона до цих пір не знайдена експериментально);

поля Хіггса (бозон Хіггса не так давно був досвідченим шляхом виявлений у великому адронному колайдері, і його відкриття раділи навіть дуже далекі від науки люди);

синхронного руху атомів решітки твердого тіла (фонон).

Кіт Шредінгера і демон Максвелла

Відкриття кванта призвело до вельми значних наслідків: був створений принципово новий розділ фізики. Квантова механіка, оптика, теорія поля викликали вибух наукових відкриттів. Видатні вчені виявляли або заново переписували закони. Факт квантування систем елементарних частинок допоміг пояснити, чому не може існувати демон Максвелла (насправді було запропоновано аж три пояснення). Однак сам Макс Планк дуже довго не брав фундаментальності свого відкриття. Він вважав, що квант – це зручний математичний спосіб висловити певну думку, але не більше. Мало того, вчений сміявся над школою нових фізиків. Тому М. Планк придумав нерозв'язний, як йому здавалося, парадокс про кота Шредінгера. Бідний звір був і живий, і мертвий одночасно, уявити собі неможливо. Але і така задача має цілком ясне пояснення в рамках квантової фізики, а сама відносно молода наука вже щосили крокує по планеті.