String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: Unlocking the First Quanta: The Birth of Quantum Physics

Отпирание первого кванта: рождение квантовой физики

Swarlz 02.08.14 в 13:09

Квантовая физика уходит своими корнями в 1900, когда немецкий физик Макс Планк предложил решение проблемы термодинамики — проблему, имеющую дело с теплом.

Swarlz 02.08.14 в 13:13

Он решил проблему путем введения математического трюка — он предположил, что если энергия была бы упакована в дискретные пакеты, или кванты, то проблема бы исчезла.

Swarlz 02.08.14 в 13:49

(Это оказалось находкой, потому что это работало.

Swarlz 02.08.14 в 13:52

Не было какого-либо теоретического основания для этого, пока его не придумал Эйнштейн пять лет спустя, как рассмотрено в следующем разделе.)

Swarlz 02.08.14 в 13:56

В процессе этой работы, Планк использовал величину, известную как постоянная Планка, которая оказалась весьма важной для квантовой физики — и теории струн.

Swarlz 04.08.14 в 20:58

Планк использовал эту квантовую идею — идею, что многие физические величины являются дискретными величинами — чтобы решить проблему в физике, но даже сам Планк допускал, что это был всего лишь искусный математический процесс для избавление от бесконечности.

Swarlz 04.08.14 в 21:08

Потребуется пять лет, чтобы Альберт Эйнштейн продолжил квантовую революцию в физике.

Swarlz 04.08.14 в 21:11

Проблема излучения черного тела, которую Планк пытался решить, является главной проблемой термодинамики, в которой у вас имеется объект, который настолько горячий, что он светится изнутри.

Swarlz 04.08.14 в 21:25

Маленькое отверстие позволяет свету выйти, и это может быть изучено.

Swarlz 04.08.14 в 21:33

Проблема в том, что в 1800х, эксперименты и теории в этой области не совпадали.

Swarlz 05.08.14 в 19:53

Горячий объект излучает тепло в форме света (горячие угли в огне или металлические кольца на электрических печах и то, и то — хорошие примеры)

Swarlz 05.08.14 в 20:00

Если бы этот объект был открыт внутри, как духовка или металлическая коробка, тепло бы отражалась всюду изнутри.

Swarlz 05.08.14 в 20:33

Такого рода объект был назван абсолютно чёрным телом — потому что сам объект не отражает свет, только излучает тепло — и на протяжении 1800-х годов, разные теоретические работы по термодинамике изучили то, как тепло вело внутри абсолютно черного тела.

Swarlz 06.08.14 в 20:14

Теперь представьте, что есть маленькое отверстие — похожее на окно — в печи, через которое свет может выйти.

Swarlz 06.08.14 в 20:16

Изучение такого света раскрывает информацию об энергии тепла в абсолютно черном теле.

Swarlz 06.08.14 в 20:18

По существу, тепло внутри абсолютно черного тела принимает форму электромагнитных волн, и так как печь это метал, то это стоячие волны, с узлами по бокам печи (подробнее об волнах смотрите в 5й главе).

Swarlz 06.08.14 в 20:25

Этот факт — наряду с пониманием электромагнетизма и термодинамики — может быть использован для расчета связи между интенсивностью света (или яркостью) и длинной волны.

Swarlz 06.08.14 в 20:28

В результате, по мере того, как длинна волны становится очень маленькой (ультрафиолетовый диапазон электромагнитной энергии), предполагается, что интенсивность резко возрастает, приближаясь к бесконечности.

Swarlz 06.08.14 в 20:36

В природе, ученые никогда не наблюдают бесконечностей, и это не было исключением (смотрите главу 2 для подробности про бесконечности).

Swarlz 06.08.14 в 20:40

Исследование показало, что максимум интенсивности был в ультрафиолетовом диапазоне, что полностью противоречило теоретическим ожиданиям, что и показано на рисунке 7-1.

Swarlz 07.08.14 в 19:31

Это противоречие стало известным как ультрафиолетовая катастрофа.

Swarlz 07.08.14 в 19:33

Рисунок 7-1: Ультрафиолетовая катастрофа произошла, когда теория и эксперимент, в процессе изучения абсолютно черного тела, не совпали.

Swarlz 07.08.14 в 19:37

Ультрафиолетовая катастрофа угрожала разрушить теории электромагнетизма и/или термодинамики.

Swarlz 07.08.14 в 19:38

Очевидно, если они не совпали с экспериментом, тогда одна или обе из теорий содержали ошибки.

Swarlz 07.08.14 в 19:43

Планк решил ультрафиолетовую катастрофу в 1900м году путем введения идеи, что атом мог поглощать или испускать свет только квантами (или дискретными порциями энергии).

Swarlz 07.08.14 в 19:46

Одно из следствий этого радикального предположения было то, что будет меньше испускаемого излучения при высоких энергиях

Swarlz 07.08.14 в 19:54

Введя идею дискретных энергетических пакетов — путем квантования энергии — Планк предоставил решение, которое помогло выйти из сложившейся ситуации без необходимости резкого пересмотра существующих теорий (по крайней мере на тот момент).

Swarlz 07.08.14 в 20:00

Понимание у Планка появилось, когда он посмотрел на данные и попытался разобраться, что происходило.

Swarlz 07.08.14 в 20:11

Очевидно, прогнозы для длинных волн были близки к соответствию с экспериментом, но для коротких волны света - нет.

Swarlz 07.08.14 в 20:22

Теория предсказывала чрезмерное количество света, которое бы было получено на коротких длинах волн, так что Планку нужен был способ, чтобы ограничить коротковолновой диапазон.

Swarlz 14.08.14 в 19:41

Будучи знакомым с некоторыми вещами об волнах, Планк знал, что длина волны и частота были обратно пропорциональны.

Swarlz 14.08.14 в 19:45

Так что, если вы говорите о волнах с короткой длинной волны, вы также говорите о волнах с высокой частотой (ВЧ).

Swarlz 14.08.14 в 19:50

Все, что он должен был сделать, это найти способ снизить количество излучение на высоких частотах.

Swarlz 14.08.14 в 19:52

Планк переработал уравнения, предполагая, что атомы могли излучать или поглощать энергию только конечными порциями.

Swarlz 14.08.14 в 19:53

Энергия и частота были связаны количественным соотношением названным постоянной Планка.

Swarlz 14.08.14 в 19:54

Физики используют переменную h для представления постоянной Планка в его получившихся уравнениях физики.

Swarlz 14.08.14 в 19:56

Конечное уравнение работало для объяснения экспериментальных результатов излучения абсолютно черного тела.

Swarlz 14.08.14 в 19:57

Планк, и, вероятно, все остальные, думали, что это был только математический трюк, который решил проблему для одного странного, специального случая.

Swarlz 14.08.14 в 20:01

Мало кто осознавал, что Планк только что заложил основание для самых странных научных открытий в истории всего мира.

Swarlz 14.08.14 в 20:06