Hoje vamos falar sobre a essência de um conceito como "catástrofe ultravioleta": por que esse paradoxo apareceu e se existem maneiras de resolvê-lo.
Física clássica
Antes do advento do quantum, o mundo das ciências naturais era dominado pela física clássica. É claro que a matemática sempre foi considerada a principal. No entanto, a álgebra e a geometria são mais frequentemente usadas como ciências aplicadas. A física clássica explora como os corpos se comportam quando aquecidos, expandidos e atingidos. Descreve a transformação da energia de cinética para interna, fala sobre conceitos como trabalho e potência. É nesta área que a resposta para a questão de como surgiu a catástrofe ultravioleta na física.
Em algum momento, todos esses fenômenos foram tão bem estudados que parecia que não havia mais nada para descobrir! Chegou ao ponto em que jovens talentosos eram aconselhados a procurar matemáticos ou biólogos, já que avanços só são possíveis nessas áreas da ciência. Mas a catástrofe ultravioleta e a harmonização da prática com a teoria provaram a falácia de tais ideias.
Radiação de calor
A física clássica e os paradoxos não foram privados. Por exemplo, a radiação térmica é o quanta do campo eletromagnético que surge em corpos aquecidos. A energia interna se transforma em luz. De acordo com a física clássica, a radiação de um corpo aquecido é um espectro contínuo, e seu máximo depende da temperatura: quanto menor a leitura do termômetro, mais “vermelha” a luz mais intensa. Agora vamos abordar diretamente o que é chamado de catástrofe ultravioleta.
Terminator e radiação térmica
Um exemplo de radiação térmica são os metais aquecidos e fundidos. Os filmes Terminator geralmente apresentam instalações industriais. Na segunda parte mais tocante do épico, a máquina de ferro mergulha em um banho de ferro fundido borbulhante. E este lago é vermelho. Portanto, essa tonalidade corresponde à radiação máxima do ferro fundido com uma certa temperatura. Isso significa que tal valor não é o mais alto possível, porque o fóton vermelho tem o menor comprimento de onda. Vale lembrar: o metal líquido irradia energia no infravermelho, no visível e no ultravioleta. Só que existem muito poucos fótons além do vermelho.
Corpo preto perfeito
Para obter a densidade de potência espectral da radiação de uma substância aquecida, utiliza-se a aproximação do corpo negro. O termo parece assustador, mas na verdade é muito útil na física e não é tão raro na realidade. Assim, um corpo completamente negro é um objeto que não “libera” os objetos que caíram sobre ele.fótons. Além disso, sua cor (espectro) depende da temperatura. Uma aproximação grosseira de um corpo completamente preto seria um cubo, em um lado do qual há um buraco com menos de dez por cento da área de toda a figura. Exemplo: janelas em apartamentos de arranha-céus comuns. É por isso que eles parecem pretos.
Rayleigh-Jeans
Esta fórmula descreve a radiação de um corpo negro, com base apenas nos dados disponíveis para a física clássica:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, onde
u é apenas a densidade espectral da luminosidade da energia, ω é a frequência de radiação, kT é a energia de vibração.
Se os comprimentos de onda forem grandes, então os valores são plausíveis e concordam bem com o experimento. Mas assim que cruzamos a linha de radiação visível e entramos na zona ultravioleta do espectro eletromagnético, as energias atingem valores incríveis. Além disso, ao integrar a fórmula sobre a frequência de zero ao infinito, obtém-se um valor infinito! Este fato revela a essência da catástrofe ultravioleta: se algum corpo for aquecido o suficiente, sua energia será suficiente para destruir o universo.
Planck e seu quantum
Muitos cientistas tentaram contornar esse paradoxo. Um avanço tirou a ciência do impasse, um passo quase intuitivo para o desconhecido. A hipótese de Planck ajudou a superar o paradoxo da catástrofe ultravioleta. A fórmula de Planck para a distribuição de frequência da radiação do corpo negro continha o conceito"quântico". O próprio cientista a definiu como uma ação única muito pequena do sistema sobre o mundo circundante. Agora um quantum é a menor porção indivisível de algumas quantidades físicas.
Quantas vêm em várias formas:
- campo eletromagnético (fóton, inclusive em um arco-íris);
- campo vetorial (glúon determina a existência de interação forte);
- campo gravitacional (gráviton ainda é uma partícula puramente hipotética, que está nos cálculos, mas ainda não foi encontrada experimentalmente);
- Campos de Higgs (o bóson de Higgs foi descoberto experimentalmente não muito tempo atrás no Grande Colisor de Hádrons, e mesmo pessoas muito distantes da ciência se alegraram com sua descoberta);
- movimento síncrono dos átomos da rede de um corpo sólido (fônon).
O gato de Schrödinger e o demônio de Maxwell
A descoberta do quantum levou a consequências muito significativas: um ramo fundamentalmente novo da física foi criado. A mecânica quântica, a ótica, a teoria de campo causaram uma explosão de descobertas científicas. Cientistas eminentes descobriram ou reescreveram leis. O fato da quantização de sistemas de partículas elementares ajudou a explicar por que o demônio Maxwell não pode existir (na verdade, até três explicações foram propostas). No entanto, o próprio Max Planck não aceitou a natureza fundamental de sua descoberta por muito tempo. Ele acreditava que um quantum é uma maneira matemática conveniente de expressar um certo pensamento, mas não mais. Além disso, o cientista riu da escola de novos físicos. Portanto, M. Planck surgiu com um insolúvel, como lhe parecia, paradoxosobre o gato de Schrödinger. A pobre fera estava viva e morta ao mesmo tempo, o que é impossível de imaginar. Mas mesmo essa tarefa tem uma explicação bastante clara dentro da estrutura da física quântica, e a própria ciência relativamente jovem já está avançando pelo planeta com força e força.
