Dnes budeme hovořit o podstatě takového konceptu jako „ultrafialová katastrofa“: proč se tento paradox objevil a zda existují způsoby, jak jej vyřešit.
Klasická fyzika
Před příchodem kvanta ovládala svět přírodních věd klasická fyzika. Matematika byla samozřejmě vždy považována za hlavní. Jako aplikované vědy se však nejčastěji používají algebra a geometrie. Klasická fyzika zkoumá, jak se tělesa chovají při zahřátí, roztažení a nárazu. Popisuje přeměnu energie z kinetické na vnitřní, hovoří o pojmech jako práce a síla. Právě v této oblasti vznikla odpověď na otázku, jak ultrafialová katastrofa ve fyzice vznikla.
V určitém okamžiku byly všechny tyto jevy tak dobře prozkoumány, že se zdálo, že už není co objevovat! Došlo to tak daleko, že talentovaným mladým lidem bylo doporučeno, aby šli k matematikům nebo biologům, protože průlomy jsou možné pouze v těchto oblastech vědy. Ale ultrafialová katastrofa a harmonizace praxe s teorií prokázaly mylnost takových myšlenek.
Tepelné záření
Klasická fyzika a paradoxy nebyly ochuzeny. Například tepelné záření je kvanta elektromagnetického pole, která vznikají v zahřátých tělesech. Vnitřní energie se mění ve světlo. Podle klasické fyziky je záření zahřátého tělesa spojité spektrum a jeho maximum závisí na teplotě: čím nižší je údaj teploměru, tím „červenější“je nejintenzivnější světlo. Nyní se přímo přiblížíme tomu, čemu se říká ultrafialová katastrofa.
Terminátor a tepelné záření
Příkladem tepelného záření jsou zahřáté a roztavené kovy. Filmy Terminator často obsahují průmyslová zařízení. V nejdojemnější druhé části eposu se železný stroj ponoří do lázně zurčící litiny. A toto jezero je červené. Tento odstín tedy odpovídá maximálnímu záření litiny s určitou teplotou. To znamená, že taková hodnota není nejvyšší ze všech možných, protože červený foton má nejmenší vlnovou délku. Stojí za připomenutí: tekutý kov vyzařuje energii v infračervené, viditelné a ultrafialové oblasti. Pouze tam je velmi málo fotonů kromě červených.
Dokonalé černé tělo
K získání spektrální výkonové hustoty záření zahřívané látky se používá aproximace černého tělesa. Termín zní děsivě, ale ve skutečnosti je ve fyzice velmi užitečný a ve skutečnosti není tak vzácný. Zcela černé těleso je tedy předmět, který „neuvolňuje“předměty, které na něj spadly.fotony. Navíc jeho barva (spektrum) závisí na teplotě. Hrubou aproximací zcela černého tělesa by byla krychle, na jejíž jedné straně je otvor menší než deset procent plochy celého obrázku. Příklad: okna v bytech běžných výškových budov. Proto vypadají černě.
Rayleigh-Jeans
Tento vzorec popisuje záření černého tělesa pouze na základě údajů dostupných klasické fyzice:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, kde
u je pouze spektrální hustota svítivosti energie, ω je frekvence záření, kT je energie vibrací.
Pokud jsou vlnové délky velké, pak jsou hodnoty věrohodné a dobře souhlasí s experimentem. Jakmile ale překročíme hranici viditelného záření a vstoupíme do ultrafialové zóny elektromagnetického spektra, energie dosahují neuvěřitelných hodnot. Navíc při integraci vzorce přes frekvenci od nuly do nekonečna se získá nekonečná hodnota! Tato skutečnost odhaluje podstatu ultrafialové katastrofy: pokud se nějaké těleso dostatečně zahřeje, jeho energie bude stačit ke zničení vesmíru.
Planck a jeho kvanta
Mnoho vědců se pokusilo tento paradox obejít. Průlom vyvedl vědu ze slepé uličky, téměř intuitivní krok do neznáma. Planckova hypotéza pomohla překonat paradox ultrafialové katastrofy. Planckův vzorec pro frekvenční rozložení záření černého tělesa obsahoval koncept„kvantové“. Sám vědec to definoval jako velmi malé jednotlivé působení systému na okolní svět. Nyní je kvantum nejmenší nedělitelnou částí některých fyzikálních veličin.
Kvanty mají mnoho podob:
- elektromagnetické pole (foton, včetně duhy);
- vektorové pole (gluon určuje existenci silné interakce);
- gravitační pole (graviton je stále čistě hypotetická částice, která je ve výpočtech, ale zatím nebyla experimentálně nalezena);
- Higgsova pole (Higgsův boson byl experimentálně objeven nedávno ve Velkém hadronovém urychlovači a z jeho objevu se radovali i lidé velmi vzdálení vědě);
- synchronní pohyb atomů mřížky pevného tělesa (fononu).
Schrödingerova kočka a Maxwellův démon
Objev kvanta vedl k velmi významným důsledkům: bylo vytvořeno zcela nové odvětví fyziky. Kvantová mechanika, optika, teorie pole způsobily explozi vědeckých objevů. Významní vědci objevili nebo přepsali zákony. Skutečnost kvantování systémů elementárních částic pomohla vysvětlit, proč Maxwellův démon nemůže existovat (ve skutečnosti byla navržena až tři vysvětlení). Sám Max Planck však základní podstatu svého objevu velmi dlouho nepřijímal. Věřil, že kvantum je pohodlný matematický způsob, jak vyjádřit určitou myšlenku, ale nic víc. Navíc se vědec vysmál škole nových fyziků. M. Planck proto přišel s neřešitelným, jak se mu zdálo, paradoxemo Schrödingerově kočce. Ubohá bestie byla živá i mrtvá zároveň, což si nelze představit. Ale i takový úkol má v rámci kvantové fyziky celkem jasné vysvětlení a sama relativně mladá věda už kráčí planetou mocně a hlavně.
