Sot do të flasim për thelbin e një koncepti të tillë si "katastrofa ultravjollcë": pse u shfaq ky paradoks dhe nëse ka mënyra për ta zgjidhur atë.
Fizika klasike
Para ardhjes së kuantit, bota e shkencës natyrore dominohej nga fizika klasike. Sigurisht, matematika është konsideruar gjithmonë kryesore. Sidoqoftë, algjebra dhe gjeometria përdoren më shpesh si shkenca të aplikuara. Fizika klasike eksploron sesi trupat sillen kur nxehen, zgjerohen dhe goditen. Ai përshkruan transformimin e energjisë nga kinetike në të brendshme, flet për koncepte të tilla si puna dhe fuqia. Është në këtë fushë që përgjigja e pyetjes se si lindi katastrofa ultravjollcë në fizikë.
Në një moment, të gjitha këto dukuri u studiuan aq mirë sa dukej se nuk kishte asgjë më shumë për të zbuluar! Arriti deri në atë pikë sa të rinjtë e talentuar u këshilluan të shkonin te matematikanët ose biologët, pasi përparimet janë të mundshme vetëm në këto fusha të shkencës. Por katastrofa ultravjollcë dhe harmonizimi i praktikës me teorinë vërtetuan gabimin e ideve të tilla.
Rrezatimi i nxehtësisë
Fizika klasike dhe paradokset nuk u privuan. Për shembull, rrezatimi termik është kuanti i fushës elektromagnetike që lind në trupat e nxehtë. Energjia e brendshme kthehet në dritë. Sipas fizikës klasike, rrezatimi i një trupi të nxehtë është një spektër i vazhdueshëm dhe maksimumi i tij varet nga temperatura: sa më i ulët të jetë leximi i termometrit, aq më "e kuqe" është drita më e fortë. Tani do t'i qasemi drejtpërdrejt asaj që quhet katastrofa ultravjollcë.
Terminator dhe rrezatim termik
Një shembull i rrezatimit termik janë metalet e ngrohura dhe të shkrira. Filmat terminator shpesh shfaqin objekte industriale. Në pjesën e dytë më prekëse të epikës, makina e hekurit zhytet në një banjë me gize gurgulluese. Dhe ky liqen është i kuq. Pra, kjo hije korrespondon me rrezatimin maksimal të gize me një temperaturë të caktuar. Kjo do të thotë se një vlerë e tillë nuk është më e larta nga të gjitha të mundshmet, sepse fotoni i kuq ka gjatësinë më të vogël të valës. Vlen të kujtohet: metali i lëngshëm rrezaton energji në rajonin infra të kuqe, të dukshme dhe ultravjollcë. Vetëm se ka shumë pak fotone përveç të kuqes.
Trup i zi perfekt
Për të marrë densitetin e fuqisë spektrale të rrezatimit të një lënde të ndezur, përdoret përafrimi i trupit të zi. Termi tingëllon i frikshëm, por në fakt është shumë i dobishëm në fizikë dhe nuk është aq i rrallë në realitet. Pra, një trup krejtësisht i zi është një objekt që nuk “lëshon” objektet që i kanë rënë.fotone. Për më tepër, ngjyra (spektri) i saj varet nga temperatura. Një përafrim i përafërt i një trupi plotësisht të zi do të ishte një kub, në njërën anë të të cilit ka një vrimë më pak se dhjetë për qind të sipërfaqes së të gjithë figurës. Shembull: dritaret në apartamente të ndërtesave të zakonshme të larta. Kjo është arsyeja pse ato duken të zeza.
Rayleigh-Jeans
Kjo formulë përshkruan rrezatimin e një trupi të zi, bazuar vetëm në të dhënat e disponueshme për fizikën klasike:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, ku
u është vetëm dendësia spektrale e shkëlqimit të energjisë, ω është frekuenca e rrezatimit, kT është energjia e vibrimit.
Nëse gjatësitë e valëve janë të mëdha, atëherë vlerat janë të besueshme dhe përputhen mirë me eksperimentin. Por sapo kalojmë vijën e rrezatimit të dukshëm dhe hyjmë në zonën ultravjollcë të spektrit elektromagnetik, energjitë arrijnë vlera të pabesueshme. Përveç kësaj, kur integroni formulën mbi frekuencën nga zero në pafundësi, fitohet një vlerë e pafundme! Ky fakt zbulon thelbin e katastrofës ultravjollcë: nëse një trup nxehet mjaftueshëm, energjia e tij do të jetë e mjaftueshme për të shkatërruar universin.
Planck dhe kuanti i tij
Shumë shkencëtarë janë përpjekur të punojnë rreth këtij paradoksi. Një përparim e nxori shkencën nga ngërçi, një hap pothuajse intuitiv drejt së panjohurës. Hipoteza e Planck ndihmoi për të kapërcyer paradoksin e katastrofës ultravjollcë. Formula e Planck për shpërndarjen e frekuencës së rrezatimit të trupit të zi përmban konceptin"kuantike". Vetë shkencëtari e përcaktoi atë si një veprim shumë të vogël të vetëm të sistemit në botën përreth. Tani një kuantë është pjesa më e vogël e pandashme e disa sasive fizike.
Kuantat vijnë në shumë forma:
- fushë elektromagnetike (foton, duke përfshirë në një ylber);
- fusha vektoriale (gluoni përcakton ekzistencën e ndërveprimit të fortë);
- fusha gravitacionale (gravitoni është ende një grimcë thjesht hipotetike, e cila është në llogaritje, por ende nuk është gjetur eksperimentalisht);
- Fushat e Higgs (bozoni Higgs u zbulua eksperimentalisht jo shumë kohë më parë në Përplasësin e Madh të Hadronit dhe madje njerëzit shumë larg shkencës u gëzuan për zbulimin e tij);
- lëvizje sinkrone e atomeve të rrjetës së një trupi të ngurtë (fonon).
Macja e Schrödinger dhe demoni i Maxwell
Zbulimi i kuantit çoi në pasoja shumë domethënëse: u krijua një degë thelbësisht e re e fizikës. Mekanika kuantike, optika, teoria e fushës shkaktuan një shpërthim zbulimesh shkencore. Shkencëtarë të shquar zbuluan ose rishkruan ligje. Fakti i kuantizimit të sistemeve të grimcave elementare ndihmoi në shpjegimin pse demoni Maxwell nuk mund të ekzistojë (në fakt, janë propozuar deri në tre shpjegime). Sidoqoftë, vetë Max Planck nuk e pranoi natyrën themelore të zbulimit të tij për një kohë shumë të gjatë. Ai besonte se një kuantike është një mënyrë e përshtatshme matematikore për të shprehur një mendim të caktuar, por jo më shumë. Për më tepër, shkencëtari qeshi në shkollën e fizikantëve të rinj. Prandaj, M. Planck doli me një paradoks të pazgjidhshëm, siç iu dukpër macen e Shrodingerit. Bisha e gjorë ishte e gjallë dhe e vdekur në të njëjtën kohë, gjë që është e pamundur të imagjinohet. Por edhe një detyrë e tillë ka një shpjegim mjaft të qartë brenda kuadrit të fizikës kuantike, dhe vetë shkenca relativisht e re tashmë po ecën në të gjithë planetin me fuqi dhe kryesore.
