Ультрафиолетовая катастрофа: определение, сущность и объяснение

Сегодня мы расскажем о сущности такого понятия, как «ультрафиолетовая катастрофа»: почему появился этот парадокс и есть ли пути его разрешения.

Классическая физика

ультрафиолетовая катастрофа

До возникновения кванта в мире естественной науки царила классическая физика. Конечно, главной всегда считалась математика. Однако алгебра и геометрия чаще всего используются как прикладные науки. Классическая физика исследует то, как ведут себя тела при нагревании, расширении, ударах. Она описывает преобразование энергии из кинетической во внутреннюю, рассказывает о таких понятиях, как работа и мощность. Именно в этой области лежит ответ на вопрос, как возникла ультрафиолетовая катастрофа в физике.

В какой-то момент все эти феномены были настолько хорошо изучены, что казалось, больше и открывать-то нечего! Дошло до того, что талантливой молодежи советовали идти в математики или биологи, так как прорывы возможны только в этих областях науки. Но ультрафиолетовая катастрофа и согласование практики с теорией доказали ошибочность подобных представлений.


Атмосфера Земли состоит из нескольких слоев, имеющих разный состав. Стратосфера, мезосфера,...

Тепловое излучение

Не была лишена классическая физика и парадоксов. Например, тепловое излучение – это кванты электромагнитного поля, которые возникают в нагретых телах. Внутренняя энергия превращается в свет. Согласно классической физике, излучение нагретого тела представляет собой сплошной спектр, и его максимум зависит от температуры: чем меньше показание градусника, тем «краснее» наиболее интенсивный свет. Теперь мы напрямую подберемся к тому, что называют ультрафиолетовой катастрофой.

Терминатор и тепловое излучение

что называют ультрафиолетовой катастрофой

Пример теплового излучения – это нагретые и расплавленные металлы. В фильмах о Терминаторе часто появляются промышленные объекты. В самой трогательной второй части эпопеи железная машина погружается в ванну булькающего чугуна. И это озеро имеет красный цвет. Так вот, данный оттенок соответствует максимуму излучения чугуна с определенной температурой. А значит, что такая величина не самая высокая из всех возможных, ведь красный фотон имеет наименьшую длину волны. Стоит помнить: жидкий металл излучает энергию и в инфракрасной, и в видимой, и в ультрафиолетовой области. Только вот фотонов, отличных от красных, очень мало.


Свет является главной основополагающей жизни на планете. Как и все остальные физические явления, он...

Абсолютно черное тело

в чем сущность ультрафиолетовой катастрофы

Чтобы получить спектральную плотность мощности излучения нагретого вещества, используют приближение абсолютно черного тела. Термин страшно звучит, но на самом деле он очень полезен в физике и не так уж редко встречается в реальности. Итак, абсолютно черное тело – объект, который не «выпускает» попавшие к нему фотоны. При этом его цвет (спектр) зависит от температуры. Грубым приближением абсолютно черного тела будет куб, в одной стороне которого есть отверстие размером менее десяти процентов от площади всей фигуры. Пример: окна в квартирах обычных многоэтажных домов. Поэтому они кажутся черными.

Закон Рэлея-Джинса

Эта формула описывает излучение абсолютно черного тела, опираясь только на доступные классической физике данные:

  • u(ω, T)= kTω22c3, где
    u – это как раз спектральная плотность энергетической светимости,
    ω – частота излучения,
    kT – энергия колебаний.

Если длины волн большие, то значения правдоподобны и хорошо согласуются с экспериментом. Но как только мы переходим черту видимого излучения и вступаем в ультрафиолетовую зону электромагнитного спектра, то энергии достигают невероятных величин. Кроме того, при интегрировании формулы по частоте от нуля до бесконечности получается бесконечное значение! Этот факт раскрывает, в чем сущность ультрафиолетовой катастрофы: если какое-то тело нагреть достаточно хорошо, его энергии будет достаточно для уничтожения вселенной.


Абсолютно черное тело не существует в природе. Это физическая модель. Однако есть множество...

Планк и его квант

как возникла ультрафиолетовая катастрофа в физике

Многие ученые пытались обойти этот парадокс. Вывел науку из тупика прорыв, почти интуитивный шаг в неизвестность. Помогла преодолеть парадокс ультрафиолетовой катастрофы гипотеза Планка. Формула Планка для распределения частот излучения абсолютно черного тела содержала в себе понятие «квант». Сам ученый определил его как очень маленькое единичное действие системы на окружающий мир. Сейчас квант – это наименьшая неделимая порция некоторых физических величин.

Кванты бывают разных видов:

  • электромагнитного поля (фотон, в том числе в радуге);
  • векторного поля (глюон определяет существование сильного взаимодействия);
  • гравитационного поля (гравитон - пока что чисто гипотетическая частица, которая есть в расчетах, но она до сих пор не найдена экспериментально);
  • поля Хиггса (бозон Хиггса не так давно был опытным путем обнаружен в большом адронном коллайдере, и его открытию радовались даже весьма далекие от науки люди);
  • синхронного движения атомов решетки твердого тела (фонон).

Кот Шредингера и демон Максвелла

ультрафиолетовая катастрофа гипотеза планка формула планка

Открытие кванта привело к весьма значительным последствиям: был создан принципиально новый раздел физики. Квантовая механика, оптика, теория поля вызвали взрыв научных открытий. Выдающиеся ученые обнаруживали или заново переписывали законы. Факт квантования систем элементарных частиц помог объяснить, почему не может существовать демон Максвелла (на самом деле было предложено целых три объяснения). Однако сам Макс Планк очень долго не принимал фундаментальности своего открытия. Он считал, что квант – это удобный математический способ выразить некую мысль, но не более. Мало того, ученый смеялся над школой новых физиков. Поэтому М. Планк придумал неразрешимый, как ему казалось, парадокс про кота Шредингера. Бедный зверь был и жив, и мертв одновременно, что представить себе невозможно. Но и такая задача имеет вполне ясное объяснение в рамках квантовой физики, а сама относительно молодая наука уже вовсю шагает по планете.

Нефть: разлив. Методы и стадии
Аварийные разливы нефти часто случаются из-за использования для ее транспортировки танкеров. Одной из крупнейших таких катастроф была авария на судне «Эксон Вальдез», произошедшая в 1989 году у берегов Аляски, о последствиях которой описано выше.
далее
Гипотеза Планка: начало квантового мира
В этой статье рассказывается, что такое гипотеза Планка, кто ее создатель и насколько важной она стала для развития современной науки. Также показано значение идеи квантования для всего микромира.
далее
А вы знаете, как пережить конец света?
Как известно, человечество уже несколько сотен раз должно было быть истреблено, согласно предсказаниям. Пока этого не произошло, однако лучше быть к этому готовым и знать что делать.
далее
Что это - разгерметизация самолета?
В современном мире все еще достаточно людей, с опаской относящихся к воздушному транспорту. Они боятся, что самолет разобьется, развалится в воздухе, упадет ни с того ни с сего, ну или просто случится какая-то поломка, в результате которой ...
далее
Ультрафиолетовое излучение: действие и защита от него
В статье будет рассмотрено ультрафиолетовое излучение, его применение, характеристика, основные области действия. Также рассмотрим воздействие УФ на организм человека.
далее
Что это - излучение в физике? Определение, особенности, применение излучения в физике. Что это - тепловое излучение в физике
Сегодня поговорим о том, что такое излучение в физике. Также расскажем о природе электронных переходов.
далее
Что это - излучение в физике? Определение, особенности, применение излучения в физике. Что это - тепловое излучение в физике
Ионосфера - что это? Отвечаем на вопрос. Слои ионосферы
Атмосфера Земли состоит из нескольких слоев, имеющих разный состав. Стратосфера, мезосфера, термосфера, экзосфера, тропосфера, ионосфера и другие слои защищают все живое на планете от жесткого космического излучения.
далее
Ионосфера - что это? Отвечаем на вопрос. Слои ионосферы
Свет. Природа света. Законы света
Свет является главной основополагающей жизни на планете. Как и все остальные физические явления, он имеет свои источники, свойства, характеристики, делится на виды, подчиняется определенным законам.
далее
Свет. Природа света. Законы света
Абсолютно черное тело и его излучение
Абсолютно черное тело не существует в природе. Это физическая модель. Однако есть множество объектов, которые по характеристикам излучения очень похожи на абсолютно черное тело. Сама же модель помогла открыть новые законы в термодинамике и создать первые теории квантовой физики.
далее
Абсолютно черное тело и его излучение
Взрывная декомпрессия на высоте: что происходит с человеком, возможные последствия
Уже известно, как пониженное давление окружающей среды влияет на организм человека. Но многие ли знают, какую опасность кроет в себе взрывная декомпрессия на высоте? За несколько секунд полностью разрушаются легкие, падает до нижнего предела давление крови, что становится причиной неизбежной смерти.
далее
Взрывная декомпрессия на высоте: что происходит с человеком, возможные последствия