Hoy hablaremos sobre la esencia de un concepto como "catástrofe ultravioleta": por qué apareció esta paradoja y si hay formas de resolverla.
Física clásica
Antes del advenimiento de la cuántica, el mundo de las ciencias naturales estaba dominado por la física clásica. Por supuesto, las matemáticas siempre han sido consideradas las principales. Sin embargo, el álgebra y la geometría se usan con mayor frecuencia como ciencias aplicadas. La física clásica explora cómo se comportan los cuerpos cuando se calientan, expanden y golpean. Describe la transformación de la energía de cinética a interna, habla de conceptos como trabajo y potencia. Es en esta área donde surgió la respuesta a la pregunta de cómo surgió la catástrofe ultravioleta en la física.
¡En algún momento, todos estos fenómenos fueron tan bien estudiados que parecía que no había nada más por descubrir! Llegó al punto de que se aconsejó a los jóvenes talentosos que acudieran a matemáticos o biólogos, ya que los avances solo son posibles en estas áreas de la ciencia. Pero la catástrofe ultravioleta y la armonización de la práctica con la teoría probaron la falacia de tales ideas.
Radiación de calor
La física clásica y las paradojas no se vieron privadas. Por ejemplo, la radiación térmica es la cantidad del campo electromagnético que surge en los cuerpos calentados. La energía interna se convierte en luz. Según la física clásica, la radiación de un cuerpo calentado es un espectro continuo, y su máximo depende de la temperatura: cuanto menor sea la lectura del termómetro, más "roja" será la luz más intensa. Ahora nos acercaremos directamente a lo que se llama la catástrofe ultravioleta.
Terminator y radiación térmica
Un ejemplo de radiación térmica son los metales calentados y fundidos. Las películas de Terminator a menudo presentan instalaciones industriales. En la segunda parte más conmovedora de la epopeya, la máquina de hierro se sumerge en un baño de hierro fundido gorgoteante. Y este lago es rojo. Entonces, este tono corresponde a la radiación máxima de hierro fundido con una temperatura determinada. Esto significa que tal valor no es el más alto de todos los posibles, porque el fotón rojo tiene la longitud de onda más pequeña. Vale la pena recordar: el metal líquido irradia energía en el infrarrojo, en el visible y en la región ultravioleta. Solo que hay muy pocos fotones además del rojo.
Cuerpo negro perfecto
Para obtener la densidad de potencia espectral de la radiación de una sustancia calentada, se utiliza la aproximación del cuerpo negro. El término suena aterrador, pero de hecho es muy útil en física y no es tan raro en la realidad. Entonces, un cuerpo completamente negro es un objeto que no "suelta" los objetos que le han caído.fotones Además, su color (espectro) depende de la temperatura. Una aproximación aproximada de un cuerpo completamente negro sería un cubo, en un lado del cual hay un agujero de menos del diez por ciento del área de toda la figura. Ejemplo: ventanas en apartamentos de edificios ordinarios de gran altura. Por eso se ven negros.
Jeans-Rayleigh
Esta fórmula describe la radiación de un cuerpo negro, basándose únicamente en los datos disponibles para la física clásica:
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u(ω, T)=kTω2/π2c3, donde
u es solo la densidad espectral de la luminosidad de la energía, ω es la frecuencia de radiación, kT es la energía de vibración.
Si las longitudes de onda son grandes, entonces los valores son plausibles y concuerdan bien con el experimento. Pero en cuanto cruzamos la línea de radiación visible y entramos en la zona ultravioleta del espectro electromagnético, las energías alcanzan valores increíbles. Además, al integrar la fórmula sobre la frecuencia de cero a infinito, ¡se obtiene un valor infinito! Este hecho revela la esencia de la catástrofe ultravioleta: si un cuerpo se calienta lo suficiente, su energía será suficiente para destruir el universo.
Planck y su cuanto
Muchos científicos han tratado de solucionar esta paradoja. Un avance sacó a la ciencia del callejón sin salida, un paso casi intuitivo hacia lo desconocido. La hipótesis de Planck ayudó a superar la paradoja de la catástrofe ultravioleta. La fórmula de Planck para la distribución de frecuencias de la radiación del cuerpo negro contenía el concepto"cuántico". El propio científico lo definió como una acción única muy pequeña del sistema sobre el mundo circundante. Ahora bien, un cuanto es la porción indivisible más pequeña de algunas cantidades físicas.
Los cuantos vienen en muchas formas:
- campo electromagnético (fotón, incluso en un arcoíris);
- campo vectorial (el gluón determina la existencia de una fuerte interacción);
- campo gravitacional (el gravitón sigue siendo una partícula puramente hipotética, que está en los cálculos, pero aún no se ha encontrado experimentalmente);
- Campos de Higgs (el bosón de Higgs fue descubierto experimentalmente no hace mucho tiempo en el Gran Colisionador de Hadrones, e incluso personas muy alejadas de la ciencia se regocijaron con su descubrimiento);
- movimiento sincrónico de los átomos de la red de un cuerpo sólido (fonón).
El gato de Schrödinger y el demonio de Maxwell
El descubrimiento del cuanto tuvo consecuencias muy significativas: se creó una rama fundamentalmente nueva de la física. La mecánica cuántica, la óptica, la teoría de campos provocaron una explosión de descubrimientos científicos. Eminentes científicos descubrieron o reescribieron leyes. El hecho de la cuantización de los sistemas de partículas elementales ayudó a explicar por qué el demonio de Maxwell no puede existir (de hecho, se han propuesto hasta tres explicaciones). Sin embargo, el mismo Max Planck no aceptó la naturaleza fundamental de su descubrimiento durante mucho tiempo. Creía que un cuanto es una forma matemática conveniente de expresar un pensamiento determinado, pero nada más. Además, el científico se rió de la escuela de nuevos físicos. Por lo tanto, a M. Planck se le ocurrió una paradoja irresoluble, según le pareció.sobre el gato de Schrödinger. La pobre bestia estaba viva y muerta al mismo tiempo, lo cual es imposible de imaginar. Pero incluso esa tarea tiene una explicación bastante clara dentro del marco de la física cuántica, y la propia ciencia relativamente joven ya está avanzando a grandes zancadas por el planeta con fuerza y fuerza.
