დღეს ვისაუბრებთ ისეთი კონცეფციის არსზე, როგორიცაა "ულტრაიისფერი კატასტროფა": რატომ გაჩნდა ეს პარადოქსი და არის თუ არა მისი გადაჭრის გზები.
კლასიკური ფიზიკა
კვანტის გაჩენამდე საბუნებისმეტყველო სამყაროში კლასიკური ფიზიკა დომინირებდა. რა თქმა უნდა, მათემატიკა ყოველთვის ითვლებოდა მთავარ. თუმცა, ალგებრა და გეომეტრია ყველაზე ხშირად გამოიყენება როგორც გამოყენებითი მეცნიერებები. კლასიკური ფიზიკა იკვლევს, თუ როგორ იქცევიან სხეულები გაცხელების, გაფართოების და დარტყმის დროს. იგი აღწერს ენერგიის გარდაქმნას კინეტიკურიდან შინაგანში, საუბრობს ისეთ ცნებებზე, როგორიცაა მუშაობა და ძალა. სწორედ ამ სფეროშია პასუხი კითხვაზე, თუ როგორ წარმოიშვა ულტრაიისფერი კატასტროფა ფიზიკაში.
ერთ მომენტში, ყველა ეს ფენომენი იმდენად კარგად იყო შესწავლილი, რომ ჩანდა, რომ მეტი არაფერი იყო გასარკვევი! იქამდე მივიდა, რომ ნიჭიერ ახალგაზრდებს მათემატიკოსებთან ან ბიოლოგებთან მისვლა ურჩევდნენ, რადგან გარღვევა მხოლოდ მეცნიერების ამ სფეროებშია შესაძლებელი. მაგრამ ულტრაიისფერმა კატასტროფამ და პრაქტიკის თეორიასთან ჰარმონიზაციამ დაამტკიცა ასეთი იდეების მცდარი.
სითბო გამოსხივება
კლასიკური ფიზიკა და პარადოქსები არ დაკლებულა.მაგალითად, თერმული გამოსხივება არის ელექტრომაგნიტური ველის კვანტა, რომელიც წარმოიქმნება გაცხელებულ სხეულებში. შინაგანი ენერგია იქცევა სინათლედ. კლასიკური ფიზიკის მიხედვით, გახურებული სხეულის გამოსხივება არის უწყვეტი სპექტრი და მისი მაქსიმუმი დამოკიდებულია ტემპერატურაზე: რაც უფრო დაბალია თერმომეტრი, მით უფრო "წითელი" არის ყველაზე ინტენსიური შუქი. ახლა ჩვენ პირდაპირ მივუდგებით იმას, რასაც ულტრაიისფერი კატასტროფა ჰქვია.
ტერმინატორი და თერმული გამოსხივება
თერმული გამოსხივების მაგალითია გაცხელებული და გამდნარი ლითონები. ტერმინატორის ფილმებში ხშირად წარმოდგენილია სამრეწველო ობიექტები. ეპოსის ყველაზე შემაშფოთებელ მეორე ნაწილში, რკინის მანქანა ჩაეფლო ღრიალი თუჯის აბაზანაში. და ეს ტბა წითელია. ასე რომ, ეს ჩრდილი შეესაბამება თუჯის მაქსიმალურ გამოსხივებას გარკვეული ტემპერატურით. ეს ნიშნავს, რომ ასეთი მნიშვნელობა არ არის ყველაზე მაღალი, რადგან წითელ ფოტონს აქვს ყველაზე მცირე ტალღის სიგრძე. უნდა გვახსოვდეს: თხევადი ლითონი ასხივებს ენერგიას ინფრაწითელ, ხილულ და ულტრაიისფერ რეგიონში. მხოლოდ ძალიან ცოტა ფოტონებია წითელის გარდა.
იდეალური შავი სხეული
გახურებული ნივთიერების გამოსხივების სპექტრული სიმჭიდროვის მისაღებად გამოიყენება შავი სხეულის მიახლოება. ტერმინი საშინლად ჟღერს, მაგრამ სინამდვილეში ის ძალიან სასარგებლოა ფიზიკაში და არც ისე იშვიათია სინამდვილეში. ასე რომ, სრულიად შავი სხეული არის ობიექტი, რომელიც არ „ათავისუფლებს“მასზე დაცემულ ობიექტებს.ფოტონები. უფრო მეტიც, მისი ფერი (სპექტრი) დამოკიდებულია ტემპერატურაზე. სრულიად შავი სხეულის უხეში მიახლოება იქნება კუბი, რომლის ერთ მხარეს არის ხვრელი მთელი ფიგურის ფართობის ათ პროცენტზე ნაკლები. მაგალითი: ფანჯრები ჩვეულებრივი მაღალსართულიანი შენობების ბინებში. ამიტომაც გამოჩნდებიან შავი.
Rayleigh-Jeans
ეს ფორმულა აღწერს შავი სხეულის გამოსხივებას, მხოლოდ კლასიკური ფიზიკის ხელმისაწვდომ მონაცემებზე დაყრდნობით:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, სადაც
u არის ენერგიის სიკაშკაშის მხოლოდ სპექტრული სიმკვრივე, ω არის გამოსხივების სიხშირე, kT არის ვიბრაციის ენერგია.
თუ ტალღის სიგრძე დიდია, მაშინ მნიშვნელობები დამაჯერებელია და კარგად ეთანხმება ექსპერიმენტს. მაგრამ როგორც კი გადავკვეთთ ხილული გამოსხივების ხაზს და შევდივართ ელექტრომაგნიტური სპექტრის ულტრაიისფერ ზონაში, ენერგიები წარმოუდგენელ მნიშვნელობებს აღწევს. გარდა ამისა, ფორმულის ინტეგრირებისას სიხშირეზე ნულიდან უსასრულობამდე მიიღება უსასრულო მნიშვნელობა! ეს ფაქტი ცხადყოფს ულტრაიისფერი კატასტროფის არსს: თუ რომელიმე სხეული საკმარისად გაცხელდება, მისი ენერგია საკმარისი იქნება სამყაროს დასანგრევად.
პლანკი და მისი კვანტი
ბევრმა მეცნიერმა სცადა ამ პარადოქსის გარშემო მუშაობა. გარღვევამ გამოიყვანა მეცნიერება ჩიხიდან, თითქმის ინტუიციური ნაბიჯი უცნობისკენ. პლანკის ჰიპოთეზა დაეხმარა ულტრაიისფერი კატასტროფის პარადოქსის დაძლევას. პლანკის ფორმულა შავი სხეულის გამოსხივების სიხშირის განაწილებისთვის შეიცავდა კონცეფციას"კვანტური". თავად მეცნიერმა ეს განსაზღვრა, როგორც სისტემის ძალიან მცირე ერთი მოქმედება გარემომცველ სამყაროზე. ახლა კვანტი არის ზოგიერთი ფიზიკური სიდიდის უმცირესი განუყოფელი ნაწილი.
კვანტები მრავალი ფორმით მოდის:
- ელექტრომაგნიტური ველი (ფოტონი, მათ შორის ცისარტყელაში);
- ვექტორული ველი (გლუონი განსაზღვრავს ძლიერი ურთიერთქმედების არსებობას);
- გრავიტაციული ველი (გრავიტონი ჯერ კიდევ არის წმინდა ჰიპოთეტური ნაწილაკი, რომელიც არის გამოთვლებში, მაგრამ ის ჯერ არ არის ნაპოვნი ექსპერიმენტულად);
- ჰიგსის ველები (ჰიგსის ბოზონი ექსპერიმენტულად აღმოაჩინეს არც ისე დიდი ხნის წინ დიდ ადრონულ კოლაიდერში და მეცნიერებისგან ძალიან შორს მყოფ ადამიანებსაც კი უხაროდათ მისი აღმოჩენა);
- მყარი სხეულის გისოსების ატომების სინქრონული მოძრაობა (ფონონი).
შროდინგერის კატა და მაქსველის დემონი
კვანტის აღმოჩენამ გამოიწვია ძალიან მნიშვნელოვანი შედეგები: შეიქმნა ფიზიკის ფუნდამენტურად ახალი ფილიალი. კვანტურმა მექანიკამ, ოპტიკამ, ველის თეორიამ გამოიწვია მეცნიერული აღმოჩენების აფეთქება. გამოჩენილმა მეცნიერებმა აღმოაჩინეს ან გადაწერეს კანონები. ელემენტარული ნაწილაკების სისტემების კვანტიზაციის ფაქტი დაეხმარა იმის ახსნას, თუ რატომ არ შეიძლება არსებობდეს მაქსველის დემონი (სინამდვილეში, შემოთავაზებულია სამი ახსნა). თუმცა, თავად მაქს პლანკმა არ მიიღო თავისი აღმოჩენის ფუნდამენტური ბუნება ძალიან დიდი ხნის განმავლობაში. მას სჯეროდა, რომ კვანტური არის მოსახერხებელი მათემატიკური საშუალება გარკვეული აზრის გამოსახატავად, მაგრამ არა მეტი. უფრო მეტიც, მეცნიერმა გაიცინა ახალი ფიზიკოსების სკოლაში. მაშასადამე, მ.პლანკმა მოიფიქრა გადაუჭრელი, როგორც მას მოეჩვენა, პარადოქსიშრედინგერის კატის შესახებ. საწყალი მხეცი ერთდროულად ცოცხალიც იყო და მკვდარიც, რისი წარმოდგენაც შეუძლებელია. მაგრამ ასეთ ამოცანასაც კი საკმაოდ მკაფიო ახსნა აქვს კვანტური ფიზიკის ფარგლებში და თავად შედარებით ახალგაზრდა მეცნიერება უკვე ძალითა და მთავარით მიისწრაფვის მთელ პლანეტაზე.
