Catastrophe ultraviolette: définition, essence et interprétation

Aujourd'hui, nous parlerons de l'essence d'une «catastrophe ultraviolette»: pourquoi ce paradoxe est apparu et s'il existe des moyens de le résoudre.

Physique classique

Avant l'émergence d'un quantum dans le monde des sciences naturellesla physique classique régnait. Bien sûr, la chose principale a toujours considéré les mathématiques. Cependant, l'algèbre et la géométrie sont le plus souvent utilisées comme sciences appliquées. La physique classique explore comment le corps se comporte lorsqu'il est chauffé, en expansion, en grève. 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 réside la réponse à la question de savoir comment s'est produite la catastrophe ultraviolette en physique.

À un certain moment, tous ces phénomènes étaient sibien étudié, qui semblait plus et il n'y a rien à découvrir! Il a atteint le point que les jeunes talentueux ont été conseillés d'aller aux mathématiques ou à la biologie, puisque les percées ne sont possibles que dans ces domaines de la science. Mais la catastrophe ultraviolette et l'accord de la pratique avec la théorie ont prouvé l'erreur de telles représentations.

Rayonnement thermique

N'a pas été privé de la physique classique et des paradoxes. Par exemple, le rayonnement thermique est le quanta du champ électromagnétique qui survient 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 petite, plus la lumière la plus intense est "rouge". Maintenant, nous allons directement à ce qu'on appelle une catastrophe ultraviolette.

Terminateur et rayonnement thermique

Un exemple de rayonnement thermique est le chauffage etmétaux fondus. Dans les films sur le Terminator, des objets industriels apparaissent souvent. Dans la deuxième partie la plus touchante de l'épopée, la machine de fer est immergée dans un bain de fonte gargouillante. Et ce lac a une couleur rouge. Donc, cette teinte correspond au rayonnement maximum de la fonte avec une certaine température. Cela signifie qu'une telle valeur n'est pas la plus élevée possible, car un photon rouge a la longueur d'onde la plus courte. Rappelons-le: un métal liquide émet de l'énergie à la fois dans l'infrarouge, dans le visible et dans l'ultraviolet. Seulement ici sont les photons qui sont différents des rouges, très peu.

Corps absolument noir

Pour obtenir la densité spectrale de puissancerayonnement d'une substance chauffée, utilisez l'approximation d'un corps absolument noir. Le terme semble effrayant, mais en fait, il est très utile en physique et pas si rare dans la réalité. Ainsi, un corps absolument noir est un objet qui ne "libère" pas les photons qui lui sont venus. En même temps, sa couleur (spectre) dépend de la température. Une approximation approximative d'un corps absolument noir sera un cube dont un côté a un trou de moins de dix pour cent de la surface de la figure entière. Exemple: fenêtres dans les appartements de bâtiments conventionnels à plusieurs étages. Par conséquent, ils semblent être noirs.

Loi Rayleigh-Jeans

Cette formule décrit l'émission d'un corps absolument noir, ne reposant que sur les données disponibles pour la physique classique:

• u (ω, T) = kTω²/ π²c³, où
  u est juste la densité spectrale de la luminosité énergétique,
  ω est la fréquence de rayonnement,
  kT est l'énergie d'oscillation.

Si les longueurs d'onde sont grandes, alors les valeurssont plausibles et concordent bien avec l'expérience. Mais dès que nous franchissons la ligne du rayonnement visible et pénétrons dans la bande ultraviolette du spectre électromagnétique, les énergies atteignent des valeurs incroyables. En outre, l'intégration de la formule sur la fréquence de zéro à l'infini donne une valeur infinie! Ce fait révèle l'essence de la catastrophe ultraviolette: si un corps est suffisamment chauffé, son énergie suffira à détruire l'univers.

Planck et son quantum

Beaucoup de scientifiques ont essayé de contourner ce paradoxe. Il a sorti la science de l'impasse, une percée, un pas presque intuitif dans l'inconnu. L'hypothèse de Planck a aidé à surmonter le paradoxe de la catastrophe ultraviolette. La formule de Planck pour la distribution des fréquences de rayonnement d'un corps absolument noir contenait le concept de «quantum». Le scientifique lui-même l'a défini comme une très petite unité d'action du système sur le monde environnant. Maintenant, le quantum est la plus petite partie indivisible de certaines quantités physiques.

Quanta se présente sous différentes formes:

• Champ électromagnétique (photon, y compris dans l'arc-en-ciel);
• champ vectoriel (le gluon détermine l'existence d'une interaction forte);
• champ gravitationnel (le graviton est encore une particule purement hypothétique, ce qui est dans les calculs, mais il n'a pas encore été trouvé expérimentalement);
• Les champs de Higgs (le boson de Higgs il n'y a pas si longtemps a été découvert expérimentalement dans un grand collisionneur hadronique, et sa découverte a été réjouie même par des gens très éloignés de la science);
• mouvement synchrone des atomes de réseau d'un solide (phonon).

Le chat Schrodinger et le démon Maxwell

La découverte d'un quantum conduit à un très importantconséquences: une branche entièrement nouvelle de la physique a été créée. La mécanique quantique, optique, théorie des champs a provoqué une explosion de découvertes scientifiques. Des chercheurs exceptionnels ont découvert ou réécrit les lois. Le fait que la quantification des systèmes de particules a permis d'expliquer pourquoi il ne peut pas le démon de Maxwell (en fait, il a été proposé trois explications). Cependant, le Max Planck depuis longtemps n'a pas accepté la nature fondamentale de sa découverte. Il croyait que le quantum - est un moyen mathématique commode d'exprimer une certaine pensée, mais pas plus. De plus, le scientifique s'est moqué de l'école des nouveaux physiciens. Par conséquent, Max Planck est venu avec l'insoluble, il pensait le paradoxe du chat de Schrödinger. La pauvre bête était à la fois vivant et mort en même temps, il est impossible d'imaginer. Mais une telle tâche est explication très claire en termes de physique quantique, et elle est déjà en pleine balayant la planète science relativement jeune.