Бүгін біз «ультракүлгін апат» сияқты ұғымның мәні туралы сөйлесетін боламыз: бұл парадокс неліктен пайда болды және оны шешу жолдары бар ма.
Классикалық физика
Квант пайда болғанға дейін жаратылыстану әлемінде классикалық физика басым болды. Әрине, математика әрқашан негізгі болып саналды. Дегенмен, алгебра мен геометрия көбінесе қолданбалы ғылымдар ретінде қолданылады. Классикалық физика денелердің қызған, кеңеюі және соғуы кезінде қалай әрекет ететінін зерттейді. Ол энергияның кинетикадан ішкіге айналуын сипаттайды, жұмыс және қуат сияқты ұғымдар туралы айтады. Дәл осы салада физикадағы ультракүлгін апат қалай пайда болды деген сұраққа жауап берілген.
Бір кездері бұл құбылыстардың бәрі жақсы зерттелгені сонша, енді ашатын ештеңе жоқ сияқты! Талантты жастарға математиктерге немесе биологтарға баруға кеңес берілді, өйткені ғылымның осы салаларында ғана жетістіктерге жетуге болады. Бірақ ультракүлгін апат және тәжірибенің теориямен үйлесуі мұндай идеялардың қате екенін дәлелдеді.
Жылу сәулеленуі
Классикалық физика мен парадокстардан айырылған жоқ. Мысалы, жылулық сәулелену - қыздырылған денелерде пайда болатын электромагниттік өрістің кванттары. Ішкі энергия жарыққа айналады. Классикалық физика бойынша, қыздырылған дененің сәулеленуі үздіксіз спектр болып табылады және оның максимумы температураға байланысты: термометрдің көрсеткіші неғұрлым төмен болса, соғұрлым «қызыл» жарық ең қарқынды болады. Енді біз ультракүлгін апат деп аталатын оқиғаға тікелей жақындаймыз.
Терминатор және жылу сәулелену
Жылулық сәулеленудің мысалы ретінде қыздырылған және балқытылған металдарды келтіруге болады. Терминатор фильмдерінде көбінесе өнеркәсіптік нысандар көрсетіледі. Эпостың ең әсерлі екінші бөлігінде темір машина сылдырлаған шойын ваннасына түседі. Ал мына көл қызыл. Сонымен, бұл көлеңке белгілі бір температурада шойынның максималды сәулеленуіне сәйкес келеді. Бұл қызыл фотонның ең кіші толқын ұзындығы болғандықтан, мұндай мән барлық мүмкін болатын ең жоғары емес екенін білдіреді. Есте сақтау керек: сұйық металл энергияны инфрақызыл, көрінетін және ультракүлгін аймақта таратады. Тек қызылдан басқа фотондар өте аз.
Тамаша қара дене
Қызған заттың сәулеленуінің спектрлік қуат тығыздығын алу үшін қара дененің жуықтауы қолданылады. Термин қорқынышты естіледі, бірақ шын мәнінде ол физикада өте пайдалы және шын мәнінде сирек емес. Сонымен, толығымен қара дене - бұл оған түскен заттарды «босатпайтын» нысан.фотондар. Оның үстіне оның түсі (спектрі) температураға байланысты. Толығымен қара дененің шамамен жуықтауы текше болады, оның бір жағында бүкіл фигура ауданының он пайызынан аз тесігі бар. Мысалы: қарапайым көпқабатты үйлердің пәтерлеріндегі терезелер. Сондықтан олар қара болып көрінеді.
Рэйли-Джинсы
Бұл формула тек классикалық физикада қолжетімді деректерге негізделген қара дененің сәулеленуін сипаттайды:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, мұнда
u – жай ғана энергия жарықтығының спектрлік тығыздығы, ω – сәулелену жиілігі, kT – тербеліс энергиясы.
Егер толқын ұзындығы үлкен болса, онда мәндер орынды және экспериментпен жақсы сәйкес келеді. Бірақ біз көрінетін сәулелену сызығын кесіп өтіп, электромагниттік спектрдің ультракүлгін аймағына енген кезде, энергия керемет мәндерге жетеді. Сонымен қатар, формуланы нөлден шексіздікке дейін жиілікке интегралдағанда, шексіз мән алынады! Бұл факт ультракүлгін апаттың мәнін ашады: егер қандай да бір дене жеткілікті түрде қыздырылса, оның энергиясы ғаламды жоюға жетеді.
Планк және оның кванты
Көптеген ғалымдар бұл парадоксты айналып өтуге тырысты. Серпіліс ғылымды тығырықтан шығарды, белгісізге интуитивті қадам жасады. Планктың гипотезасы ультракүлгін апаттың парадоксын жеңуге көмектесті. Қара дененің сәулеленуінің жиілік таралуына арналған Планк формуласы тұжырымдаманы қамтыды«квант». Ғалымның өзі оны қоршаған әлемге жүйенің өте аз біртұтас әрекеті ретінде анықтады. Енді квант кейбір физикалық шамалардың ең кіші бөлінбейтін бөлігі болып табылады.
Кванттар әртүрлі формада болады:
- электромагниттік өріс (фотон, оның ішінде кемпірқосақ);
- векторлық өріс (глюон күшті өзара әрекеттесу барын анықтайды);
- гравитациялық өріс (гравитон әлі де таза гипотетикалық бөлшек болып табылады, ол есептеулерде бар, бірақ ол әлі тәжірибе жүзінде табылған жоқ);
- Хиггс өрістері (Хиггс бозоны көп ұзамай Үлкен адрон коллайдерінде тәжірибе жүзінде ашылды, тіпті ғылымнан өте алыс адамдар оның ашылғанына қуанды);
- қатты дене торының атомдарының синхронды қозғалысы (фонон).
Шредингердің мысығы мен Максвеллдің жыны
Кванттың ашылуы өте маңызды салдарға әкелді: физиканың түбегейлі жаңа саласы құрылды. Кванттық механика, оптика, өріс теориясы ғылыми жаңалықтардың жарылуына себеп болды. Көрнекті ғалымдар заңдарды ашты немесе қайта жазды. Элементар бөлшектер жүйелерін кванттау фактісі Максвелл жынының неліктен өмір сүре алмайтынын түсіндіруге көмектесті (шын мәнінде, үш түсініктеме ұсынылды). Алайда, Макс Планктың өзі ұзақ уақыт бойы ашылуының іргелі сипатын қабылдамады. Ол квантты белгілі бір ойды білдірудің ыңғайлы математикалық тәсілі деп есептеді, бірақ артық емес. Оның үстіне ғалым жаңа физиктер мектебіне күлді. Сондықтан М. Планк шешілмейтін, оған көрінгендей, парадоксты ойлап таптыШредингердің мысығы туралы. Бейшара аң бір мезгілде тірі де, өлі де болған, оны елестету мүмкін емес. Бірақ мұндай тапсырманың да кванттық физика аясында өте нақты түсіндірмесі бар, ал салыстырмалы түрде жас ғылымның өзі қазірдің өзінде ғаламшарда күш-қуатпен және негізгімен алға жылжуда.
