Ультрафиолетовая катастрофа: определение, сущность и толкование

Сегодня мы расскажем о сущности такого понятия, как «ультрафиолетовая катастрофа»: почему появился этот парадокс и есть ли пути его разрешения.

Классическая физика

До возникновения кванта в мире естественной науки царила классическая физика. Конечно, главной всегда считалась математика. Однако алгебра и геометрия чаще всего используются как прикладные науки. Классическая физика исследует то, как ведут себя тела при нагревании, расширении, ударах. Она описывает преобразование энергии из кинетической во внутреннюю, рассказывает о таких понятиях, как работа и мощность. Именно в этой области лежит ответ на вопрос, как возникла ультрафиолетовая катастрофа в физике.

В какой-то момент все эти феномены были настолько хорошо изучены, что казалось, больше и открывать-то нечего! Дошло до того, что талантливой молодежи советовали идти в математики или биологи, так как прорывы возможны только в этих областях науки. Но ультрафиолетовая катастрофа и согласование практики с теорией доказали ошибочность подобных представлений.

Тепловое излучение

Не была лишена классическая физика и парадоксов. Например, тепловое излучение – это кванты электромагнитного поля, которые возникают в нагретых телах. Внутренняя энергия превращается в свет. Согласно классической физике, излучение нагретого тела представляет собой сплошной спектр, и его максимум зависит от температуры: чем меньше показание градусника, тем «краснее» наиболее интенсивный свет. Теперь мы напрямую подберемся к тому, что называют ультрафиолетовой катастрофой.

Терминатор и тепловое излучение

Пример теплового излучения – это нагретые и расплавленные металлы. В фильмах о Терминаторе часто появляются промышленные объекты. В самой трогательной второй части эпопеи железная машина погружается в ванну булькающего чугуна. И это озеро имеет красный цвет. Так вот, данный оттенок соответствует максимуму излучения чугуна с определенной температурой. А значит, что такая величина не самая высокая из всех возможных, ведь красный фотон имеет наименьшую длину волны. Стоит помнить: жидкий металл излучает энергию и в инфракрасной, и в видимой, и в ультрафиолетовой области. Только вот фотонов, отличных от красных, очень мало.

Абсолютно черное тело

Чтобы получить спектральную плотность мощности излучения нагретого вещества, используют приближение абсолютно черного тела. Термин страшно звучит, но на самом деле он очень полезен в физике и не так уж редко встречается в реальности. Итак, абсолютно черное тело – объект, который не «выпускает» попавшие к нему фотоны. При этом его цвет (спектр) зависит от температуры. Грубым приближением абсолютно черного тела будет куб, в одной стороне которого есть отверстие размером менее десяти процентов от площади всей фигуры. Пример: окна в квартирах обычных многоэтажных домов. Поэтому они кажутся черными.

Закон Рэлея-Джинса

Эта формула описывает излучение абсолютно черного тела, опираясь только на доступные классической физике данные:

• u(ω, T)= kTω²/π²c³, где
  u – это как раз спектральная плотность энергетической светимости,
  ω – частота излучения,
  kT – энергия колебаний.

Если длины волн большие, то значения правдоподобны и хорошо согласуются с экспериментом. Но как только мы переходим черту видимого излучения и вступаем в ультрафиолетовую зону электромагнитного спектра, то энергии достигают невероятных величин. Кроме того, при интегрировании формулы по частоте от нуля до бесконечности получается бесконечное значение! Этот факт раскрывает, в чем сущность ультрафиолетовой катастрофы: если какое-то тело нагреть достаточно хорошо, его энергии будет достаточно для уничтожения вселенной.

Планк и его квант

Многие ученые пытались обойти этот парадокс. Вывел науку из тупика прорыв, почти интуитивный шаг в неизвестность. Помогла преодолеть парадокс ультрафиолетовой катастрофы гипотеза Планка. Формула Планка для распределения частот излучения абсолютно черного тела содержала в себе понятие «квант». Сам ученый определил его как очень маленькое единичное действие системы на окружающий мир. Сейчас квант – это наименьшая неделимая порция некоторых физических величин.

Кванты бывают разных видов:

• электромагнитного поля (фотон, в том числе в радуге);
• векторного поля (глюон определяет существование сильного взаимодействия);
• гравитационного поля (гравитон - пока что чисто гипотетическая частица, которая есть в расчетах, но она до сих пор не найдена экспериментально);
• поля Хиггса (бозон Хиггса не так давно был опытным путем обнаружен в большом адронном коллайдере, и его открытию радовались даже весьма далекие от науки люди);
• синхронного движения атомов решетки твердого тела (фонон).

Кот Шредингера и демон Максвелла

Открытие кванта привело к весьма значительным последствиям: был создан принципиально новый раздел физики. Квантовая механика, оптика, теория поля вызвали взрыв научных открытий. Выдающиеся ученые обнаруживали или заново переписывали законы. Факт квантования систем элементарных частиц помог объяснить, почему не может существовать демон Максвелла (на самом деле было предложено целых три объяснения). Однако сам Макс Планк очень долго не принимал фундаментальности своего открытия. Он считал, что квант – это удобный математический способ выразить некую мысль, но не более. Мало того, ученый смеялся над школой новых физиков. Поэтому М. Планк придумал неразрешимый, как ему казалось, парадокс про кота Шредингера. Бедный зверь был и жив, и мертв одновременно, что представить себе невозможно. Но и такая задача имеет вполне ясное объяснение в рамках квантовой физики, а сама относительно молодая наука уже вовсю шагает по планете.