„Katastrofa w nadfiolecie” to seria naukowych odkryć z końcówki XIX wieku, z którymi fizycy nie mogli pogodzić się całymi latami. Zmusiły uczonych do przebudowania ówcześnie znanej nauki oraz doprowadziły do powstania zupełnie nowej gałęzi fizyki — mechaniki kwantowej.

Aby zrozumieć, jak kolosalne znaczenie dla nauki posiadała „katastrofa w nadfiolecie”, cofnijmy się w czasie do połowy XIX wieku. Co może dziwić – podejście do fizyki było zupełnie odmienne od tego, do którego przywykliśmy, ponieważ na naukowych salonach zaczynało panować przekonanie o „ukończeniu fizyki”. Według uczonych wszystkie znane oddziaływania zostały w pełni opisane: grawitacja przez Isaaca Newtona oraz elektromagnetyzm przez równania Maxwella z 1861 roku. Środowisko naukowe, złożone w dużej mierze z brytyjskich oraz francuskich, rywalizujących badaczy, było przekonane o tym, że fizyka została w pełni odkryta i niewyjaśnione pozostały jedynie pojedyncze, poboczne zagadnienia. Jednym z ostatnich było promieniowanie ciała doskonale czarnego (CDC).

Pojęcie ciała doskonale czarnego zostało wprowadzone przez Gustava Kirchhoffa w 1862 roku i oznacza ciało absorbujące całe światło, które na nie pada (nic nie odbija). Z oczywistych pobudek nie istnieje we Wszechświecie ciało będące „doskonale czarne”, jednakże są na niebie obiekty bardzo do niego zbliżone – gwiazdy.

W 1859 roku Gustav Kirchhoff sformułował prawo promieniowania, w którym obserwacyjnie dostrzegł, że dla ciała dobrze absorbującego promieniowanie rozkład widma jest w przybliżeniu zależny tylko i wyłącznie od temperatury, nie zaś od materiału, z jakiego zrobione jest ciało. Rozkład ten, niezmienny dla wszystkich, dobrze absorbujących promieniowanie ciał stałych i cieczy, a zależny wyłącznie od temperatury, wyżej wymieniony fizyk nazwał Uniwersalną Funkcją Kirchhoffa.

Uniwersalna funkcja Kirchhoffa dla temperatury 200K, 250K, 300K oraz 350K.

W roku 1879 Jožef Stefan oraz Ludwig Boltzmann wspólnie odkryli, drogą obserwacji, że całka z uniwersalnej funkcji Kirchhoffa po wszystkich możliwych częstotliwościach – czyli całkowita moc promieniowania ciała na metr kwadratowy powierzchni – jest proporcjonalna jedynie od temperatury do potęgi czwartej. Ze względu na późniejsze wydarzenia, warty zapamiętania jest oczywisty fakt, że cała moc promieniowania CDC zawsze jest skończona.

Po upływie czternastu lat, w 1893 roku, niemiecki fizyk Wilhelm Wien doświadczalnie dowiódł, że długość fali, dla której uniwersalna funkcja Kirchhoffa ma swoje maksimum, oraz w której CDC promieniuje największe ilości energii, jest odwrotnie proporcjonalna do temperatury ciała.

Cała historia nabiera rozpędu w ostatnim roku XIX wieku. Brytyjscy naukowcy Rayleigh oraz Jeans postanowili opisać uniwersalną funkcję Kirchhoffa za pomocą klasycznej termodynamiki. Ku zaskoczeniu naukowego świata, wzór wynikający z dotychczasowej, niezawodnej fizyki opisuje bardzo dobrze promieniowanie CDC tylko i wyłącznie w niskich częstotliwościach. Przy częstotliwościach należących do ultrafioletu otrzymana funkcja dążyła nieustannie w górę, w czasie gdy rzeczywisty rozkład widma ziemskich obiektów zazwyczaj w ultrafiolecie jest już dość blisko osi OX. Co oczywiste, całka (pole pod wykresem) z otrzymanej funkcji po wszystkich częstotliwościach, kiedy funkcja jest zawsze rosnąca, wynosi nieskończoność. Z rozkładu Rayleigha-Jeansa wynika, że każde ciało powinno promieniować nieskończone ilości energii!

Co poszło nie tak? Najprawdopodobniej owo pytanie, w różnych językach, zadawali sobie fizycy z całego globu. Jako pierwszy rękawice podniósł Wilhelm Wien. Jeszcze tego samego roku Wien zaproponował „Drugie prawo Wiena” nazywane też „Rozkładem Wiena”. Zaproponowana funkcja naprawiała sytuację w wyższych częstotliwościach, w tym w ultrafiolecie, lecz zupełnie oblała egzamin przy częstotliwościach fal radiowych czy mikrofalowych.

Niepoprawności w drugim prawie Wiena bardzo szybko dostrzegł Max Planck, który 19 października 1900 roku zaproponował obowiązujący do dziś rozkład widma promieniowania CDC. Urodzony w Kilonii fizyk zmodyfikował funkcję Wiena, tak, by pokrywała się z obserwacjami we wszystkich częstotliwościach. Niecałe dwa miesiące później, 14 grudnia, Planck uzasadnił poprawność swojego rozkładu widma, przyjmując, że oscylatory wytwarzające promieniowanie, mogą przyjmować tylko określone stany energetyczne, zaś promieniowanie może być wysyłane tylko w ściśle określonych porcjach – kwantach.

Porównanie rozkładu Rayleigh-Jeansa, Wiena oraz Plancka dla temperatury 5800K.

Ostatni rok XIX wieku obalił mit o pełnym zrozumieniu praw natury. Szybko okazało się, że ówczesna wiedza o Wszechświecie była bardzo mała. To właśnie między innymi problemy z wyjaśnieniem uniwersalnej funkcji Kirchhoffa wraz z doświadczeniem Michelsona-Morleya doprowadziły do gwałtownego przebudowania fizyki w pierwszej połowie XX wieku. W podziękowaniu za zasługi, rozkład widma promieniowania CDC nazywamy dziś rozkładem Plancka, zaś Gustava Kirchhoffa uważa się za „dziadka” mechaniki kwantowej. Wszystkie powyższe wydarzenia Paul Ehrenfest nazwał „Katastrofą w nadfiolecie”.

Artykuł napisał Szymon Ryszkowski.

Autor

Redakcja AstroNETu
Redakcja AstroNETu