اليوم سنتحدث عن جوهر مفهوم مثل "كارثة الأشعة فوق البنفسجية": لماذا ظهر هذا التناقض وما إذا كانت هناك طرق لحلها.
الفيزياء الكلاسيكية
قبل ظهور الكم ، سيطرت الفيزياء الكلاسيكية على عالم العلوم الطبيعية. بالطبع ، لطالما اعتبرت الرياضيات هي العنصر الرئيسي. ومع ذلك ، غالبًا ما يتم استخدام الجبر والهندسة كعلوم تطبيقية. تستكشف الفيزياء الكلاسيكية كيف تتصرف الأجسام عند تسخينها وتمددها وضربها. يصف تحول الطاقة من الحركية إلى الداخلية ، ويتحدث عن مفاهيم مثل العمل والقوة. في هذا المجال نشأت الإجابة على السؤال عن كيفية نشوء كارثة الأشعة فوق البنفسجية في الفيزياء.
في مرحلة ما ، تمت دراسة كل هذه الظواهر جيدًا لدرجة أنه لم يكن هناك شيء آخر لاكتشافه! وصل الأمر إلى حد أنه تم نصح الشباب الموهوبين بالذهاب إلى علماء الرياضيات أو علماء الأحياء ، لأن الاختراقات ممكنة فقط في هذه المجالات من العلوم. لكن كارثة الأشعة فوق البنفسجية ومواءمة الممارسة مع النظرية أثبتت مغالطة مثل هذه الأفكار.
إشعاع حراري
الفيزياء الكلاسيكية والمفارقات لم تحرم.على سبيل المثال ، الإشعاع الحراري هو كمية المجال الكهرومغناطيسي التي تنشأ في الأجسام الساخنة. تتحول الطاقة الداخلية إلى ضوء. وفقًا للفيزياء الكلاسيكية ، فإن إشعاع الجسم المسخن هو طيف مستمر ، ويعتمد الحد الأقصى على درجة الحرارة: فكلما انخفضت قراءة مقياس الحرارة ، كان الضوء الأشد كثافة "أكثر احمرارًا". الآن سوف نتعامل مباشرة مع ما يسمى بكارثة الأشعة فوق البنفسجية.
المنهي والإشعاع الحراري
مثال على الإشعاع الحراري هو المعادن المسخنة والمنصهرة. غالبًا ما تتميز أفلام Terminator بالمنشآت الصناعية. في الجزء الثاني الأكثر لمسًا من الملحمة ، تغطس الآلة الحديدية في حوض من الحديد الزهر الغرغرة. وهذه البحيرة حمراء. لذلك ، يتوافق هذا الظل مع أقصى إشعاع من الحديد الزهر بدرجة حرارة معينة. هذا يعني أن مثل هذه القيمة ليست الأعلى على الإطلاق ، لأن الفوتون الأحمر له أصغر طول موجي. يجدر بنا أن نتذكر: المعدن السائل يشع طاقة في الأشعة تحت الحمراء ، وفي المنطقة المرئية ، وفي منطقة الأشعة فوق البنفسجية. فقط هناك عدد قليل جدًا من الفوتونات بخلاف اللون الأحمر.
الجسم الأسود المثالي
للحصول على كثافة الطاقة الطيفية لإشعاع مادة ساخنة ، يتم استخدام تقريب الجسم الأسود. يبدو المصطلح مخيفًا ، لكنه في الحقيقة مفيد جدًا في الفيزياء وليس نادرًا في الواقع. لذا ، فإن الجسم الأسود تمامًا هو كائن لا "يطلق" الأشياء التي سقطت عليه.الفوتونات. علاوة على ذلك ، يعتمد لونه (طيفه) على درجة الحرارة. سيكون التقريب التقريبي لجسم أسود بالكامل عبارة عن مكعب ، يوجد في أحد جوانبه ثقب أقل من عشرة بالمائة من مساحة الشكل بأكمله. مثال: نوافذ في شقق المباني الشاهقة العادية. لهذا السبب يظهرون باللون الأسود.
رايلي جينز
تصف هذه الصيغة إشعاع الجسم الأسود ، بناءً على البيانات المتاحة فقط للفيزياء الكلاسيكية:
-
u (ω، T)=kTω2/ π2c3، أين
u هو مجرد كثافة طيفية لمعان الطاقة ،
ω هو تردد الإشعاع ،
kT هي طاقة الاهتزاز.
إذا كانت الأطوال الموجية كبيرة ، فإن القيم معقولة وتتفق جيدًا مع التجربة. ولكن بمجرد عبورنا لخط الإشعاع المرئي ودخولنا منطقة الأشعة فوق البنفسجية من الطيف الكهرومغناطيسي ، تصل الطاقات إلى قيم لا تصدق. بالإضافة إلى ذلك ، عند دمج الصيغة على التردد من صفر إلى ما لا نهاية ، يتم الحصول على قيمة غير محدودة! تكشف هذه الحقيقة جوهر كارثة الأشعة فوق البنفسجية: إذا تم تسخين جسم ما جيدًا بدرجة كافية ، فستكون طاقته كافية لتدمير الكون.
بلانك وكميته
حاول العديد من العلماء التغلب على هذه المفارقة. أدى الاختراق العلمي إلى الخروج من المأزق ، وهي خطوة شبه بديهية نحو المجهول. ساعدت فرضية بلانك في التغلب على مفارقة كارثة الأشعة فوق البنفسجية. احتوت صيغة بلانك لتوزيع تردد إشعاع الجسم الأسود على المفهوم"الكم". عرّفها العالم بنفسه على أنها إجراء فردي صغير جدًا للنظام على العالم المحيط. الآن الكم هو أصغر جزء غير قابل للتجزئة من بعض الكميات الفيزيائية.
تأتي الكميات في أشكال عديدة:
- المجال الكهرومغناطيسي (الفوتون ، بما في ذلك قوس قزح) ؛
- مجال متجه (يحدد gluon وجود تفاعل قوي) ؛
- مجال الجاذبية (لا يزال الجرافيتون جسيمًا افتراضيًا بحتًا ، وهو موجود في الحسابات ، لكن لم يتم العثور عليه تجريبيًا بعد) ؛
- حقول هيغز (تم اكتشاف بوزون هيغز بشكل تجريبي منذ وقت ليس ببعيد في مصادم الهادرون الكبير ، وحتى الأشخاص البعيدين جدًا عن العلم ابتهجوا باكتشافه) ؛
- حركة متزامنة لذرات شعرية الجسم الصلب (فونون).
قطة شرودنغر وشيطان ماكسويل
أدى اكتشاف الكم إلى عواقب وخيمة للغاية: تم إنشاء فرع جديد في الأساس من الفيزياء. تسببت ميكانيكا الكم والبصريات ونظرية المجال في انفجار الاكتشافات العلمية. اكتشف العلماء البارزون أو أعادوا كتابة القوانين. ساعدت حقيقة تكميم أنظمة الجسيمات الأولية في تفسير سبب عدم وجود شيطان ماكسويل (في الواقع ، تم اقتراح ما يصل إلى ثلاثة تفسيرات). ومع ذلك ، فإن ماكس بلانك نفسه لم يقبل الطبيعة الأساسية لاكتشافه لفترة طويلة جدًا. لقد كان يعتقد أن الكم طريقة رياضية مناسبة للتعبير عن فكرة معينة ، ولكن ليس أكثر. علاوة على ذلك ، ضحك العالم على مدرسة علماء الفيزياء الجدد. لذلك ، توصل إم بلانك إلى مفارقة غير قابلة للحل ، كما بدا لهحول قطة شرودنغر. كان الوحش المسكين حياً وميتاً في نفس الوقت ، وهو أمر مستحيل تخيله. ولكن حتى مثل هذه المهمة لها تفسير واضح تمامًا في إطار فيزياء الكم ، والعلم الشاب نسبيًا نفسه يسير بالفعل عبر الكوكب بقوة وأهمية.
