Aujourd'hui, nous allons parler de l'essence d'un concept tel que "catastrophe ultraviolette": pourquoi ce paradoxe est apparu et s'il existe des moyens de le résoudre.
Physique classique
Avant l'avènement du quantum, le monde des sciences naturelles était dominé par la physique classique. Bien sûr, les mathématiques ont toujours été considérées comme la principale. Cependant, l'algèbre et la géométrie sont le plus souvent utilisées comme sciences appliquées. La physique classique explore le comportement des corps lorsqu'ils sont chauffés, dilatés et frappés. Il décrit la transformation de l'énergie de cinétique à interne, parle de concepts tels que le travail et le pouvoir. C'est dans ce domaine que la réponse à la question de savoir comment la catastrophe ultraviolette en physique est survenue.
À un moment donné, tous ces phénomènes étaient si bien étudiés qu'il semblait qu'il n'y avait plus rien à découvrir ! Il est arrivé au point que les jeunes talents ont été invités à consulter des mathématiciens ou des biologistes, car les percées ne sont possibles que dans ces domaines scientifiques. Mais la catastrophe ultraviolette et l'harmonisation de la pratique avec la théorie ont prouvé la fausseté de telles idées.
Radiation thermique
La physique classique et les paradoxes n'en ont pas été privés. Par exemple, le rayonnement thermique est le quanta du champ électromagnétique qui se produit dans les corps chauffés. L'énergie interne se transforme en lumière. Selon la physique classique, le rayonnement d'un corps chauffé est un spectre continu, et son maximum dépend de la température: plus la lecture du thermomètre est basse, plus la lumière la plus intense est « rouge ». Nous allons maintenant aborder directement ce qu'on appelle la catastrophe ultraviolette.
Terminator et rayonnement thermique
Un exemple de rayonnement thermique est les métaux chauffés et fondus. Les films Terminator présentent souvent des installations industrielles. Dans la deuxième partie la plus touchante de l'épopée, la machine en fer plonge dans un bain de fonte gargouillante. Et ce lac est rouge. Ainsi, cette teinte correspond au rayonnement maximal de la fonte à une certaine température. Cela signifie qu'une telle valeur n'est pas la plus élevée possible, car le photon rouge a la plus petite longueur d'onde. Il convient de rappeler que le métal liquide émet de l'énergie dans l'infrarouge, le visible et l'ultraviolet. Seulement il y a très peu de photons autres que le rouge.
Corps noir parfait
Pour obtenir la densité de puissance spectrale du rayonnement d'une substance chauffée, l'approximation du corps noir est utilisée. Le terme semble effrayant, mais en fait il est très utile en physique et n'est pas si rare en réalité. Ainsi, un corps complètement noir est un objet qui ne "libère" pas les objets qui lui sont tombés dessus.photons. De plus, sa couleur (spectre) dépend de la température. Une approximation grossière d'un corps complètement noir serait un cube, dans un côté duquel il y a un trou de moins de dix pour cent de la surface de la figure entière. Exemple: fenêtres d'appartements d'immeubles de grande hauteur ordinaires. C'est pourquoi ils apparaissent en noir.
Rayleigh-Jeans
Cette formule décrit le rayonnement d'un corps noir, basée uniquement sur les données disponibles en physique classique:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, où
u est simplement la densité spectrale de la luminosité énergétique, ω est la fréquence de rayonnement, kT est l'énergie de vibration.
Si les longueurs d'onde sont grandes, alors les valeurs sont plausibles et correspondent bien à l'expérience. Mais dès que l'on franchit la ligne du rayonnement visible et que l'on pénètre dans la zone ultraviolette du spectre électromagnétique, les énergies atteignent des valeurs incroyables. De plus, lors de l'intégration de la formule sur la fréquence de zéro à l'infini, une valeur infinie est obtenue ! Ce fait révèle l'essence de la catastrophe ultraviolette: si un corps est suffisamment chauffé, son énergie sera suffisante pour détruire l'univers.
Planck et son quantum
De nombreux scientifiques ont tenté de contourner ce paradoxe. Une percée a sorti la science de l'impasse, un pas presque intuitif vers l'inconnu. L'hypothèse de Planck a aidé à surmonter le paradoxe de la catastrophe ultraviolette. La formule de Planck pour la distribution de fréquence du rayonnement du corps noir contenait le concept"quantum". Le scientifique lui-même l'a défini comme une très petite action unique du système sur le monde environnant. Maintenant, un quantum est la plus petite partie indivisible de certaines quantités physiques.
Les quantas se présentent sous plusieurs formes:
- champ électromagnétique (photon, y compris dans un arc-en-ciel);
- champ vectoriel (le gluon détermine l'existence d'une interaction forte);
- champ gravitationnel (le graviton est encore une particule purement hypothétique, qui est dans les calculs, mais il n'a pas encore été trouvé expérimentalement);
- Champs de Higgs (le boson de Higgs a été découvert expérimentalement il n'y a pas si longtemps dans le Large Hadron Collider, et même des gens très éloignés de la science se sont réjouis de sa découverte);
- mouvement synchrone des atomes du réseau d'un corps solide (phonon).
Le chat de Schrödinger et le démon de Maxwell
La découverte du quantum a eu des conséquences très importantes: une branche fondamentalement nouvelle de la physique a été créée. La mécanique quantique, l'optique, la théorie des champs ont provoqué une explosion de découvertes scientifiques. Des scientifiques éminents ont découvert ou réécrit des lois. Le fait de la quantification des systèmes de particules élémentaires a contribué à expliquer pourquoi le démon Maxwell ne peut pas exister (en fait, pas moins de trois explications ont été proposées). Cependant, Max Planck lui-même n'a pas accepté le caractère fondamental de sa découverte pendant très longtemps. Il croyait qu'un quantum est un moyen mathématique pratique d'exprimer une certaine pensée, mais pas plus. De plus, le scientifique s'est moqué de l'école des nouveaux physiciens. Par conséquent, M. Planck a proposé un paradoxe insoluble, lui semblait-il,sur le chat de Schrödinger. La pauvre bête était à la fois vivante et morte, ce qui est impossible à imaginer. Mais même une telle tâche a une explication assez claire dans le cadre de la physique quantique, et la science relativement jeune elle-même parcourt déjà la planète avec force et force.
