Hari ini kita akan bercakap tentang intipati konsep seperti "malapetaka ultraungu": mengapa paradoks ini muncul dan sama ada terdapat cara untuk menyelesaikannya.
fizik klasik
Sebelum kemunculan kuantum, dunia sains semula jadi telah dikuasai oleh fizik klasik. Sudah tentu, matematik sentiasa dianggap sebagai yang utama. Walau bagaimanapun, algebra dan geometri paling kerap digunakan sebagai sains gunaan. Fizik klasik meneroka cara badan berkelakuan apabila dipanaskan, mengembang dan dipukul. Ia menerangkan perubahan tenaga daripada kinetik kepada dalaman, bercakap tentang konsep seperti kerja dan kuasa. Di kawasan inilah jawapan kepada persoalan bagaimana malapetaka ultraviolet dalam fizik timbul.
Pada satu ketika, semua fenomena ini dikaji dengan sangat baik sehingga nampaknya tiada apa-apa lagi untuk ditemui! Ia sampai ke tahap bahawa orang muda yang berbakat dinasihatkan untuk pergi ke ahli matematik atau ahli biologi, kerana kejayaan hanya mungkin dalam bidang sains ini. Tetapi malapetaka ultraviolet dan penyelarasan amalan dengan teori membuktikan kekeliruan idea sedemikian.
Pancaran haba
Fizik klasik dan paradoks tidak dilucutkan. Sebagai contoh, sinaran haba ialah kuanta medan elektromagnet yang timbul dalam badan yang dipanaskan. Tenaga dalaman bertukar menjadi cahaya. Menurut fizik klasik, sinaran badan yang dipanaskan adalah spektrum berterusan, dan maksimumnya bergantung pada suhu: semakin rendah bacaan termometer, semakin "merah" cahaya yang paling sengit. Sekarang kita akan terus mendekati apa yang dipanggil malapetaka ultraviolet.
Terminator dan sinaran haba
Contoh sinaran haba ialah logam yang dipanaskan dan cair. Filem Terminator selalunya memaparkan kemudahan industri. Dalam bahagian kedua epik yang paling menyentuh hati, mesin besi itu menjunam ke dalam tab mandi besi tuang yang bergemuruh. Dan tasik ini berwarna merah. Jadi, naungan ini sepadan dengan sinaran maksimum besi tuang dengan suhu tertentu. Ini bermakna bahawa nilai sedemikian bukanlah yang tertinggi daripada semua yang mungkin, kerana foton merah mempunyai panjang gelombang terkecil. Perlu diingat: logam cecair memancarkan tenaga dalam inframerah, dan dalam yang boleh dilihat, dan di kawasan ultraviolet. Hanya terdapat sedikit foton selain merah.
Badan hitam sempurna
Untuk mendapatkan ketumpatan kuasa spektrum sinaran bahan yang dipanaskan, anggaran jasad hitam digunakan. Istilah ini terdengar menakutkan, tetapi sebenarnya ia sangat berguna dalam fizik dan tidak begitu jarang dalam realiti. Jadi, badan hitam sepenuhnya adalah objek yang tidak "melepaskan" objek yang telah jatuh kepadanya.foton. Selain itu, warnanya (spektrum) bergantung pada suhu. Anggaran kasar badan hitam sepenuhnya akan menjadi kubus, di satu sisinya terdapat lubang kurang daripada sepuluh peratus daripada luas keseluruhan rajah. Contoh: tingkap di pangsapuri bangunan tinggi biasa. Itulah sebabnya ia kelihatan hitam.
Rayleigh-Jeans
Formula ini menerangkan sinaran jasad hitam, hanya berdasarkan data yang tersedia untuk fizik klasik:
-
u(ω, T)=kTω2/π2c3, di mana
u hanyalah ketumpatan spektrum kecerahan tenaga, ω ialah frekuensi sinaran, kT ialah tenaga getaran.
Jika panjang gelombangnya besar, maka nilainya adalah munasabah dan sesuai dengan eksperimen. Tetapi sebaik sahaja kita melintasi garisan sinaran yang boleh dilihat dan memasuki zon ultraviolet spektrum elektromagnet, tenaga mencapai nilai yang luar biasa. Di samping itu, apabila menyepadukan formula ke atas kekerapan dari sifar kepada infiniti, nilai tak terhingga diperoleh! Fakta ini mendedahkan intipati malapetaka ultraviolet: jika sesetengah badan dipanaskan dengan cukup baik, tenaganya akan cukup untuk memusnahkan alam semesta.
Planck dan kuantumnya
Ramai saintis telah cuba mengatasi paradoks ini. Satu kejayaan membawa sains keluar dari kebuntuan, satu langkah yang hampir intuitif ke arah yang tidak diketahui. Hipotesis Planck membantu mengatasi paradoks malapetaka ultraviolet. Formula Planck untuk taburan kekerapan sinaran badan hitam mengandungi konsep"kuantum". Ahli sains itu sendiri mentakrifkannya sebagai tindakan tunggal yang sangat kecil dari sistem di dunia sekeliling. Kini kuantum ialah bahagian terkecil yang tidak boleh dibahagikan daripada beberapa kuantiti fizik.
Kuantas datang dalam pelbagai bentuk:
- medan elektromagnet (foton, termasuk dalam pelangi);
- medan vektor (gluon menentukan kewujudan interaksi yang kuat);
- medan graviti (graviton masih merupakan zarah hipotetikal semata-mata, yang terdapat dalam pengiraan, tetapi masih belum ditemui secara eksperimen);
- Bidang Higgs (boson Higgs ditemui secara eksperimen tidak lama dahulu di Large Hadron Collider, malah orang yang jauh dari sains bergembira dengan penemuannya);
- gerakan segerak atom bagi kekisi badan pepejal (fonon).
Kucing Schrödinger dan syaitan Maxwell
Penemuan kuantum membawa kepada akibat yang sangat ketara: satu cabang fizik yang asasnya baru telah dicipta. Mekanik kuantum, optik, teori medan menyebabkan ledakan penemuan saintifik. Para saintis terkenal menemui atau menulis semula undang-undang. Fakta kuantisasi sistem zarah asas membantu menjelaskan mengapa syaitan Maxwell tidak boleh wujud (sebenarnya, sebanyak tiga penjelasan telah dicadangkan). Walau bagaimanapun, Max Planck sendiri tidak menerima sifat asas penemuannya untuk masa yang sangat lama. Dia percaya bahawa kuantum adalah cara matematik yang mudah untuk menyatakan pemikiran tertentu, tetapi tidak lebih. Lebih-lebih lagi, saintis itu mentertawakan sekolah ahli fizik baru. Oleh itu, M. Planck datang dengan paradoks yang tidak dapat diselesaikan, seperti yang dilihatnyatentang kucing Schrödinger. Binatang malang itu hidup dan mati pada masa yang sama, yang mustahil untuk dibayangkan. Tetapi tugas sebegitu pun mempunyai penjelasan yang agak jelas dalam kerangka fizik kuantum, dan sains yang agak muda itu sendiri sudah melangkah merentasi planet ini dengan kuat dan utama.
