Hôm nay chúng ta sẽ nói về bản chất của một khái niệm như "thảm họa tia cực tím": tại sao nghịch lý này lại xuất hiện và liệu có cách nào để giải quyết nó không.
Vật lý cổ điển
Trước khi lượng tử ra đời, thế giới khoa học tự nhiên bị thống trị bởi vật lý cổ điển. Tất nhiên, toán học luôn được coi là chính. Tuy nhiên, đại số và hình học thường được dùng làm khoa học ứng dụng. Vật lý cổ điển khám phá cách các vật thể hoạt động khi bị đốt nóng, giãn nở và va đập. Nó mô tả sự chuyển đổi năng lượng từ động năng sang nội năng, nói về các khái niệm như công và năng lượng. Chính trong lĩnh vực này, câu trả lời cho câu hỏi về thảm họa tia cực tím trong vật lý đã nảy sinh như thế nào.
Vào một thời điểm nào đó, tất cả những hiện tượng này đã được nghiên cứu kỹ lưỡng đến mức dường như không còn gì để khám phá nữa! Đến mức những người trẻ tuổi tài năng được khuyên nên đến gặp các nhà toán học hoặc nhà sinh học, vì những đột phá chỉ có thể có trong những lĩnh vực khoa học này. Nhưng thảm họa tia cực tím và sự hài hòa giữa thực hành với lý thuyết đã chứng minh sự sai lầm của những ý tưởng như vậy.
Bức xạ nhiệt
Vật lý cổ điển và nghịch lý không bị tước đoạt. Ví dụ, bức xạ nhiệt là lượng tử của trường điện từ phát sinh trong các vật thể bị nung nóng. Nội năng biến thành ánh sáng. Theo vật lý cổ điển, bức xạ của một vật bị nung nóng là một quang phổ liên tục, và cực đại của nó phụ thuộc vào nhiệt độ: chỉ số nhiệt kế càng thấp thì ánh sáng có cường độ mạnh càng “đỏ”. Bây giờ chúng ta sẽ tiếp cận trực tiếp cái được gọi là thảm họa tia cực tím.
Chất diệt mối và bức xạ nhiệt
Một ví dụ về bức xạ nhiệt là kim loại bị nung nóng và nóng chảy. Phim Terminator thường có hình ảnh các cơ sở công nghiệp. Trong phần thứ hai cảm động nhất của sử thi, cỗ máy sắt lao vào bể gang kêu ùng ục. Và hồ này có màu đỏ. Vì vậy, bóng râm này tương ứng với bức xạ cực đại của gang với một nhiệt độ nhất định. Điều này có nghĩa là giá trị như vậy không phải là giá trị cao nhất có thể, bởi vì photon đỏ có bước sóng nhỏ nhất. Điều đáng nhớ là: kim loại lỏng bức xạ năng lượng trong vùng hồng ngoại, vùng khả kiến và vùng tử ngoại. Chỉ có rất ít photon ngoài màu đỏ.
Thân đen hoàn hảo
Để thu được mật độ công suất quang phổ của bức xạ của một chất bị nung nóng, người ta sử dụng phép gần đúng vật đen. Thuật ngữ này nghe có vẻ đáng sợ, nhưng thực tế nó rất hữu ích trong vật lý và thực tế không quá hiếm. Vì vậy, một cơ thể hoàn toàn đen là một vật thể không "giải phóng" các vật thể đã rơi xuống nó.các photon. Hơn nữa, màu sắc (quang phổ) của nó phụ thuộc vào nhiệt độ. Một ước lượng gần đúng của một vật đen hoàn toàn sẽ là một khối lập phương, trong đó một mặt của nó có một lỗ nhỏ hơn mười phần trăm diện tích của toàn bộ hình. Ví dụ: cửa sổ trong căn hộ của các tòa nhà cao tầng thông thường. Đó là lý do tại sao chúng có màu đen.
Rayleigh-Jeans
Công thức này mô tả bức xạ của vật đen, chỉ dựa trên dữ liệu có sẵn cho vật lý cổ điển:
-
u (ω, T)=kTω2/ π2c3, ở đâu
u chỉ là mật độ quang phổ của độ sáng năng lượng, ω là tần số bức xạ, kT là năng lượng dao động.
Nếu bước sóng lớn thì các giá trị là hợp lý và phù hợp với thực nghiệm. Nhưng ngay sau khi chúng ta vượt qua vạch của bức xạ khả kiến và đi vào vùng tử ngoại của phổ điện từ, năng lượng sẽ đạt đến giá trị đáng kinh ngạc. Ngoài ra, khi tích phân công thức theo tần số từ 0 đến vô cùng, ta nhận được giá trị vô hạn! Sự thật này cho thấy bản chất của thảm họa tia cực tím: nếu một số cơ thể được sưởi ấm đủ tốt, năng lượng của nó sẽ đủ để phá hủy vũ trụ.
Planck và lượng tử của anh ấy
Nhiều nhà khoa học đã cố gắng giải quyết nghịch lý này. Một bước đột phá đã đưa khoa học thoát khỏi sự bế tắc, một bước gần như trực quan vào điều chưa biết. Giả thuyết của Planck đã giúp khắc phục nghịch lý của thảm họa tia cực tím. Công thức Planck cho sự phân bố tần số của bức xạ vật đen chứa khái niệm"lượng tử". Bản thân nhà khoa học đã định nghĩa nó là một hành động đơn lẻ rất nhỏ của hệ thống đối với thế giới xung quanh. Giờ đây, lượng tử là phần nhỏ nhất không thể phân chia được của một số đại lượng vật lý.
Số lượng có nhiều dạng:
- trường điện từ (photon, kể cả trong cầu vồng);
- trường vectơ (gluon xác định sự tồn tại của tương tác mạnh);
- trường hấp dẫn (graviton vẫn là một hạt hoàn toàn là giả thuyết, trong tính toán, nhưng nó vẫn chưa được tìm thấy bằng thực nghiệm);
- Trường Higgs (boson Higgs được phát hiện bằng thực nghiệm cách đây không lâu trong Máy va chạm Hadron Lớn, và ngay cả những người ở rất xa về khoa học cũng vui mừng vì phát hiện ra nó);
- chuyển động đồng bộ của các nguyên tử trong mạng tinh thể của vật rắn (phonon).
Con mèo của Schrödinger và con quỷ của Maxwell
Việc phát hiện ra lượng tử đã dẫn đến những hậu quả rất quan trọng: một ngành vật lý mới về cơ bản đã được tạo ra. Cơ học lượng tử, quang học, lý thuyết trường đã gây ra sự bùng nổ các khám phá khoa học. Các nhà khoa học lỗi lạc đã khám phá ra hoặc viết lại các định luật. Thực tế lượng tử hóa các hệ thống của các hạt cơ bản đã giúp giải thích tại sao quỷ Maxwell không thể tồn tại (trên thực tế, có tới ba cách giải thích đã được đề xuất). Tuy nhiên, bản thân Max Planck đã không chấp nhận bản chất cơ bản của khám phá của mình trong một thời gian rất dài. Ông tin rằng lượng tử là một cách toán học thuận tiện để thể hiện một ý nghĩ nào đó, nhưng không còn nữa. Hơn nữa, nhà khoa học đã cười nhạo trường phái vật lý mới. Vì vậy, M. Planck đã đưa ra một nghịch lý nan giải, như đối với ông,về con mèo của Schrödinger. Con thú tội nghiệp vừa sống vừa chết cùng một lúc, thật không thể tưởng tượng nổi. Nhưng ngay cả một nhiệm vụ như vậy cũng có một lời giải thích khá rõ ràng trong khuôn khổ của vật lý lượng tử, và bản thân ngành khoa học tương đối non trẻ này đã và đang sải bước trên khắp hành tinh với sức mạnh và sự chính xác.
