Heute werden wir über die Essenz eines solchen Konzepts wie "UV-Katastrophe" sprechen: warum dieses Paradoxon aufgetreten ist und ob es Möglichkeiten gibt, es zu lösen.
Klassische Physik
Vor dem Aufkommen der Quanten wurde die Welt der Naturwissenschaften von der klassischen Physik dominiert. Natürlich wurde die Mathematik immer als die wichtigste angesehen. Algebra und Geometrie werden jedoch am häufigsten als angewandte Wissenschaften verwendet. Die klassische Physik untersucht, wie sich Körper verh alten, wenn sie erhitzt, ausgedehnt und getroffen werden. Es beschreibt die Umwandlung von Energie von kinetischer zu innerer Energie und spricht über Konzepte wie Arbeit und Macht. In diesem Bereich liegt die Antwort auf die Frage, wie es zur Ultraviolett-Katastrophe in der Physik kam.
Irgendwann waren all diese Phänomene so gut untersucht, dass es schien, als gäbe es nichts mehr zu entdecken! Es ging so weit, dass begabten jungen Menschen zu Mathematikern oder Biologen geraten wurde, da nur in diesen Wissenschaftsbereichen Durchbrüche möglich sind. Aber die UV-Katastrophe und die Harmonisierung der Praxis mit der Theorie bewiesen den Trugschluss solcher Ideen.
Wärmestrahlung
Klassische Physik und Paradoxien wurden nicht beraubt. Wärmestrahlung sind beispielsweise die Quanten des elektromagnetischen Feldes, die in erhitzten Körpern entstehen. Innere Energie wird zu Licht. Nach der klassischen Physik ist die Strahlung eines erhitzten Körpers ein kontinuierliches Spektrum, dessen Maximum von der Temperatur abhängt: Je niedriger der Thermometerwert, desto „röter“das intensivste Licht. Jetzt nähern wir uns direkt der sogenannten UV-Katastrophe.
Terminator und Wärmestrahlung
Ein Beispiel für Wärmestrahlung sind erhitzte und geschmolzene Metalle. Terminator-Filme zeigen oft Industrieanlagen. Im berührendsten zweiten Teil des Epos taucht die Eisenmaschine in ein Bad aus gurgelndem Gusseisen. Und dieser See ist rot. Dieser Farbton entspricht also der maximalen Strahlung von Gusseisen bei einer bestimmten Temperatur. Das bedeutet, dass ein solcher Wert nicht der höchstmögliche ist, weil das rote Photon die kleinste Wellenlänge hat. Es sei daran erinnert: Flüssigmetall strahlt Energie im Infrarot-, im sichtbaren und im Ultraviolettbereich aus. Nur gibt es außer Rot sehr wenige Photonen.
Perfekter schwarzer Körper
Um die spektrale Leistungsdichte der Strahlung einer erhitzten Substanz zu erh alten, wird die Schwarzkörpernäherung verwendet. Der Begriff klingt beängstigend, ist aber in der Physik sehr nützlich und in der Realität gar nicht so selten. Ein vollständig schwarzer Körper ist also ein Objekt, das die auf ihn gefallenen Objekte nicht „freigibt“. Photonen. Außerdem hängt seine Farbe (Spektrum) von der Temperatur ab. Eine grobe Annäherung an einen vollständig schwarzen Körper wäre ein Würfel, in dessen einer Seite sich ein Loch befindet, das weniger als zehn Prozent der Fläche der gesamten Figur beträgt. Beispiel: Fenster in Wohnungen gewöhnlicher Hochhäuser. Deshalb erscheinen sie schwarz.
Rayleigh-Jeans
Diese Formel beschreibt die Strahlung eines schwarzen Körpers, basierend nur auf Daten, die der klassischen Physik zur Verfügung stehen:
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u(ω, T)=kTω2/π2c3, wobei u ist nur die spektrale Dichte der Energieleuchtkraft, ω ist die Strahlungsfrequenz, kT ist die Schwingungsenergie.
Wenn die Wellenlängen groß sind, dann sind die Werte plausibel und stimmen gut mit dem Experiment überein. Aber sobald wir die Grenze der sichtbaren Strahlung überschreiten und in die ultraviolette Zone des elektromagnetischen Spektrums eintreten, erreichen die Energien unglaubliche Werte. Außerdem erhält man beim Integrieren der Formel über die Frequenz von null bis unendlich einen unendlichen Wert! Diese Tatsache offenbart das Wesen der UV-Katastrophe: Wenn ein Körper stark genug erhitzt wird, reicht seine Energie aus, um das Universum zu zerstören.
Planck und sein Quant
Viele Wissenschaftler haben versucht, dieses Paradoxon zu umgehen. Ein Durchbruch führte die Wissenschaft aus der Sackgasse, ein fast intuitiver Schritt ins Unbekannte. Plancks Hypothese half, das Paradox der UV-Katastrophe zu überwinden. Plancks Formel für die Häufigkeitsverteilung der Schwarzkörperstrahlung enthielt das Konzept„Quanten“. Der Wissenschaftler selbst definierte es als eine sehr kleine einzelne Aktion des Systems auf die umgebende Welt. Nun ist ein Quant der kleinste unteilbare Teil einiger physikalischer Größen.
Quantas gibt es in vielen Formen:
- elektromagnetisches Feld (Photon, auch in einem Regenbogen);
- Vektorfeld (Gluon bestimmt das Vorhandensein einer starken Wechselwirkung);
- Gravitationsfeld (Graviton ist noch ein rein hypothetisches Teilchen, das in den Berechnungen enth alten ist, experimentell aber noch nicht gefunden wurde);
- Higgs-Felder (das Higgs-Boson wurde vor nicht allzu langer Zeit im Large Hadron Collider experimentell entdeckt, und sogar Menschen, die weit entfernt von der Wissenschaft sind, freuten sich über seine Entdeckung);
- Synchronbewegung von Atomen des Gitters eines Festkörpers (Phonon).
Schrödingers Katze und Maxwells Dämon
Die Entdeckung des Quants hatte sehr bedeutsame Konsequenzen: Ein grundlegend neuer Zweig der Physik wurde geschaffen. Quantenmechanik, Optik, Feldtheorie verursachten eine Explosion wissenschaftlicher Entdeckungen. Bedeutende Wissenschaftler haben Gesetze entdeckt oder umgeschrieben. Die Tatsache der Quantisierung von Systemen aus Elementarteilchen half zu erklären, warum der Maxwell-Dämon nicht existieren kann (tatsächlich wurden bis zu drei Erklärungen vorgeschlagen). Max Planck selbst hat die fundamentale Natur seiner Entdeckung jedoch sehr lange nicht akzeptiert. Er glaubte, dass ein Quant ein bequemer mathematischer Weg ist, um einen bestimmten Gedanken auszudrücken, aber nicht mehr. Außerdem lachte der Wissenschaftler über die Schule der neuen Physiker. Daher kam M. Planck auf ein, wie es ihm schien, unlösbares Paradoxonüber Schrödingers Katze. Das arme Tier war gleichzeitig lebendig und tot, was unmöglich vorstellbar ist. Aber auch eine solche Aufgabe hat im Rahmen der Quantenphysik eine recht klare Erklärung, und die relativ junge Wissenschaft selbst schreitet bereits mit aller Kraft über den Planeten.
