วันนี้เราจะพูดถึงสาระสำคัญของแนวคิดเช่น "ภัยพิบัติอัลตราไวโอเลต": เหตุใดความขัดแย้งนี้จึงปรากฏขึ้นและมีวิธีแก้ไขหรือไม่
ฟิสิกส์คลาสสิก
ก่อนการถือกำเนิดของควอนตัม โลกของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติถูกครอบงำโดยฟิสิกส์คลาสสิก แน่นอนว่าคณิตศาสตร์ถือเป็นวิชาหลักมาโดยตลอด อย่างไรก็ตาม พีชคณิตและเรขาคณิตมักถูกใช้เป็นวิทยาศาสตร์ประยุกต์ ฟิสิกส์คลาสสิกสำรวจว่าร่างกายมีพฤติกรรมอย่างไรเมื่อถูกความร้อน ขยายตัว และตี อธิบายการเปลี่ยนแปลงของพลังงานจากจลนศาสตร์เป็นพลังงานภายใน พูดถึงแนวคิดเช่นงานและพลังงาน ในพื้นที่นี้เองที่คำตอบสำหรับคำถามที่ว่าภัยพิบัติทางฟิสิกส์อุลตร้าไวโอเลตเกิดขึ้นได้อย่างไร
ณ จุดหนึ่ง ปรากฏการณ์เหล่านี้ได้รับการศึกษามาอย่างดีจนดูเหมือนไม่มีอะไรให้ค้นพบอีกแล้ว! ถึงจุดที่แนะนำให้คนหนุ่มสาวที่มีความสามารถไปหานักคณิตศาสตร์หรือนักชีววิทยา เนื่องจากการค้นพบใหม่นี้ทำได้เฉพาะในสาขาวิชาวิทยาศาสตร์เหล่านี้เท่านั้น แต่ภัยพิบัติจากรังสีอัลตราไวโอเลตและการประสานกันของการปฏิบัติกับทฤษฎีได้พิสูจน์ให้เห็นถึงความเข้าใจผิดของแนวคิดดังกล่าว
การแผ่รังสีความร้อน
ฟิสิกส์คลาสสิกและความขัดแย้งไม่ได้ถูกกีดกันตัวอย่างเช่น การแผ่รังสีความร้อนคือควอนตาของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในตัวร้อน พลังงานภายในเปลี่ยนเป็นแสง ตามฟิสิกส์คลาสสิก การแผ่รังสีของวัตถุที่มีความร้อนนั้นเป็นสเปกตรัมต่อเนื่อง และค่าสูงสุดของมันขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ: ยิ่งการอ่านเทอร์โมมิเตอร์ยิ่งต่ำ แสงที่ "แดง" จะเป็นแสงที่เข้มข้นที่สุด ตอนนี้เราจะเข้าใกล้สิ่งที่เรียกว่าภัยพิบัติอัลตราไวโอเลตโดยตรง
เทอร์มิเนเตอร์และการแผ่รังสีความร้อน
ตัวอย่างการแผ่รังสีความร้อนคือให้ความร้อนและโลหะหลอมเหลว ฟิล์มเทอร์มิเนเตอร์มักมีสิ่งอำนวยความสะดวกทางอุตสาหกรรม ในส่วนที่สองที่น่าประทับใจที่สุดของมหากาพย์ เครื่องจักรเหล็กพุ่งลงไปในอ่างเหล็กหล่อไหลริน และทะเลสาบแห่งนี้ก็เป็นสีแดง ดังนั้นเฉดสีนี้จึงสอดคล้องกับการแผ่รังสีสูงสุดของเหล็กหล่อที่อุณหภูมิหนึ่ง ซึ่งหมายความว่าค่าดังกล่าวไม่ใช่ค่าสูงสุดที่เป็นไปได้ เนื่องจากโฟตอนสีแดงมีความยาวคลื่นที่เล็กที่สุด เป็นสิ่งที่ควรค่าแก่การจดจำ: โลหะเหลวแผ่พลังงานในอินฟราเรดและในที่มองเห็นและในบริเวณอัลตราไวโอเลต มีโฟตอนน้อยมากยกเว้นสีแดง
ตัวดำสมบูรณ์แบบ
เพื่อให้ได้ความหนาแน่นพลังงานสเปกตรัมของการแผ่รังสีของสารที่ให้ความร้อน จะใช้การประมาณวัตถุสีดำ คำนี้ฟังดูน่ากลัว แต่ในความเป็นจริง มันมีประโยชน์มากในวิชาฟิสิกส์ และหาได้ยากในความเป็นจริง ดังนั้น วัตถุสีดำสนิทจึงเป็นวัตถุที่ไม่ "ปล่อย" วัตถุที่ตกลงมาโฟตอน นอกจากนี้สี (สเปกตรัม) ยังขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ การประมาณคร่าวๆ ของวัตถุสีดำสนิทจะเป็นลูกบาศก์ โดยด้านหนึ่งมีรูน้อยกว่าสิบเปอร์เซ็นต์ของพื้นที่ของร่างทั้งหมด ตัวอย่าง: หน้าต่างในอพาร์ตเมนต์ของอาคารสูงธรรมดา นั่นเป็นสาเหตุที่ทำให้เป็นสีดำ
Rayleigh-Jeans
สูตรนี้อธิบายการแผ่รังสีของวัตถุสีดำ โดยอิงตามข้อมูลที่มีในฟิสิกส์คลาสสิกเท่านั้น:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3 ที่ไหน u เป็นเพียงความหนาแน่นสเปกตรัมของพลังงานส่องสว่าง
ω คือความถี่ของการแผ่รังสี
kT คือพลังงานสั่นสะเทือน
หากความยาวคลื่นมาก ค่าจะเป็นไปได้และเห็นด้วยอย่างยิ่งกับการทดลอง แต่ทันทีที่เราข้ามเส้นของรังสีที่มองเห็นได้และเข้าสู่โซนอัลตราไวโอเลตของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า พลังงานก็จะถึงค่าที่เหลือเชื่อ นอกจากนี้ เมื่อรวมสูตรเหนือความถี่จากศูนย์ถึงอนันต์ จะได้รับค่าอนันต์! ข้อเท็จจริงนี้เผยให้เห็นแก่นแท้ของภัยพิบัติจากรังสีอัลตราไวโอเลต: หากร่างกายได้รับความร้อนเพียงพอ พลังงานของมันก็จะเพียงพอที่จะทำลายจักรวาล
พลังค์และควอนตัมของเขา
นักวิทยาศาสตร์หลายคนพยายามแก้ไขความขัดแย้งนี้ ความก้าวหน้าครั้งสำคัญทำให้วิทยาศาสตร์หลุดพ้นจากความอับจน เป็นขั้นตอนที่แทบจะเข้าใจได้ง่ายในสิ่งที่ไม่รู้ สมมติฐานของพลังค์ช่วยเอาชนะความขัดแย้งของภัยพิบัติรังสีอัลตราไวโอเลต สูตรของพลังค์สำหรับการกระจายความถี่ของรังสีวัตถุสีดำมีแนวคิด"ควอนตัม" นักวิทยาศาสตร์เองได้กำหนดให้มันเป็นการกระทำที่เล็กมากของระบบในโลกรอบข้าง ตอนนี้ควอนตัมเป็นส่วนที่เล็กที่สุดที่แบ่งแยกไม่ได้ของปริมาณทางกายภาพบางส่วน
ควอนตัสมีหลายรูปแบบ:
- สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (โฟตอน รวมทั้งรุ้งด้วย);
- เวกเตอร์ฟิลด์ (กลูออนกำหนดการมีอยู่ของการโต้ตอบที่รุนแรง);
- สนามโน้มถ่วง (แรงโน้มถ่วงยังคงเป็นอนุภาคสมมุติล้วนๆ ซึ่งอยู่ในการคำนวณ แต่ยังไม่พบการทดลอง)
- ทุ่งฮิกส์ (ฮิกส์โบซอนถูกค้นพบโดยการทดลองเมื่อไม่นานมานี้ใน Large Hadron Collider และแม้แต่ผู้คนที่อยู่ห่างไกลจากวิทยาศาสตร์ก็ชื่นชมยินดีกับการค้นพบนี้)
- การเคลื่อนที่แบบซิงโครนัสของอะตอมของโครงตาข่ายของวัตถุทึบ (โฟนอน)
แมวชโรดิงเงอร์กับปีศาจของแมกซ์เวลล์
การค้นพบควอนตัมนำไปสู่ผลลัพธ์ที่สำคัญมาก: มีการสร้างสาขาฟิสิกส์พื้นฐานใหม่ กลศาสตร์ควอนตัม ทัศนศาสตร์ ทฤษฎีสนาม ทำให้เกิดการระเบิดของการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ นักวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียงค้นพบหรือเขียนกฎหมายใหม่ ความเป็นจริงของการหาปริมาณของระบบอนุภาคมูลฐานช่วยอธิบายได้ว่าทำไมอสูรของ Maxwell จึงไม่สามารถดำรงอยู่ได้ (อันที่จริง มีการเสนอคำอธิบายมากถึงสามคำอธิบาย) อย่างไรก็ตาม Max Planck เองไม่ยอมรับธรรมชาติพื้นฐานของการค้นพบของเขาเป็นเวลานานมาก เขาเชื่อว่าควอนตัมเป็นวิธีทางคณิตศาสตร์ที่สะดวกในการแสดงความคิดบางอย่าง แต่ไม่มีอีกแล้ว นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์ยังหัวเราะเยาะโรงเรียนของนักฟิสิกส์ใหม่ ดังนั้น ม.พลังค์จึงเกิดสิ่งที่แก้ไม่ได้ ตามที่เขาเห็น ข้อขัดแย้งเกี่ยวกับแมวของชโรดิงเงอร์ สัตว์ร้ายที่น่าสงสารทั้งเป็นและตายไปพร้อม ๆ กันซึ่งเป็นไปไม่ได้ที่จะจินตนาการ แต่งานดังกล่าวยังมีคำอธิบายที่ชัดเจนภายในกรอบของฟิสิกส์ควอนตัม และวิทยาศาสตร์ที่ค่อนข้างใหม่เองก็กำลังก้าวไปทั่วโลกด้วยกำลังและหลัก
