Ένας από τους πιο αγαπημένους μύθους στην κβαντική ιστορία, είναι ότι εφόσον η προσπάθεια των Rayleigh-Jeans να εξηγήσουν την ακτινοβολία του μέλανος σώματος σύμφωνα με την κλασσική μηχανική αποτύγχανε παταγωδώς στα μικρά μήκη κύματος (η επονομαζόμενη υπεριώδης καταστροφή), ήταν αυτή η αποτυχία που ενέπνευσε τον Max Planck να εισάγει την κβάντωση την ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας κατά την αλληλεπίδρασή της με την ύλη, βάζοντας τα πρώτα θεμέλια για την ανάπτυξη της κβαντικής θεωρίας.
Φαίνεται όμως πως πρόκειται για μια ψευδοϊστορία, που ναι μεν βοηθάει στα εισαγωγικά μαθήματα της κβαντικής φυσικής, αλλά δεν έχει καμία σχέση με τα αληθινά γεγονότα. Στην πραγματικότητα η υπεριώδης καταστροφή συζητήθηκε για πρώτη φορά αρκετά χρόνια αφότου ο Planck δημοσίευσε τον νόμο του για την ακτινοβολία, οπότε δεν έπαιξε κανένα ρόλο στην έμπνευσή του.
Ο μύθος
Το κεντρικό μήνυμα της ιστορίας που παρουσιάζεται στα σχολικά βιβλία σχετικά με τη γέννηση της κβαντικής φυσικής μπορεί να συνοψιστεί ως εξής: Μέχρι το τέλος του δέκατου ένατου αιώνα τα πειράματα έδειχναν ότι η ένταση της ακτινοβολίας(*) του μέλανος σώματος ποικίλλει ανάλογα με το μήκος κύματος. Την άνοιξη του 1900 ο Λόρδος Rayleigh χρησιμοποιώντας κλασική φυσική, κατέληξε στην γνωστή εξίσωση:
όπου c1 μια σταθερά και Τ η θερμοκρασία του μέλανος σώματος. Αυτή η εξίσωση (που μπορεί πολύ εύκολα να αποδειχθεί διαστατικά) είναι γνωστή ως νόμος ακτινοβολίας Rayleigh–Jeans. Ταίριαζε με τις πειραματικές καμπύλες αρκετά καλά στα μεγάλα μήκη κύματος, όμως απέκλινε δραματικά στα μικρά μήκη κύματος. Η ένταση της ακτινοβολίας έτεινε στο άπειρο για μικρά μήκη κύματος, μια πρόβλεψη που ονομάστηκε υπεριώδης καταστροφή. Ακόμη χειρότερα, ολοκληρώνοντας την παραπάνω εξίσωση σε όλα τα μήκη κύματος παίρνουμε άπειρη συνολική ακτινοβολία από το μέλαν σώμα. Κάτι εντελώς απαράδεκτο στη φυσική.
Σε μια πράξη απελπισίας, ο Planck διαπίστωσε ότι αν υποθέσει πως οι ηλεκτρικοί ταλαντωτές εκπέμπουν και απορροφούν την ενέργεια μόνο κατά ποσότητες E = n h f (όπου n ακέραιος αριθμός και h μια θεμελιώδης σταθερά της φύσης), θα μπορούσε να αποφύγει την καταστροφή και να εξαγάγει τον σωστό νόμο ακτινοβολίας. Η ριζοσπαστική υπόθεση του Planck, που εκείνη την εποχή φαινόταν τρελή, τελικά έβγαλε τη φυσική από την κρίση.
Αυτή η ιστορία ευθυγραμμίζεται με μια συγκεκριμένη άποψη για το πώς πραγματοποιούνται οι επιστημονικές επαναστάσεις και αναπτύσσονται οι νέες θεωρίες. Ξεκινούν πάντα με μια κρίση που προκαλείται από την κραυγαλέα αντίφαση μεταξύ των πειραματικών δεδομένων από τη μια πλευρά και της θεωρητικής πρόβλεψης από την άλλη. Μια τέτοια κρίση παρακινεί τους φυσικούς να προτείνουν μια ριζοσπαστική υπόθεση για να εξηγήσουν τα ακατανόητα αποτελέσματα. Αν μια τέτοια υπόθεση επαληθευτεί ότι είναι η μόνη που μπορεί να εξηγήσει τα πειραματικά αποτελέσματα, θα γίνει αποδεκτή από τους φυσικούς και θα αποτελέσει το νέο Παράδειγμα.
H πραγματική ιστορία
Το 1860 ο Gustav R. Kirchhoff είχε πεί πως ένα από τα κύρια καθήκοντα των φυσικών πρέπει να είναι ο προσδιορισμός της έντασης των διαφόρων συχνοτήτων στην ακτινοβολία του μέλανος σώματος ως συνάρτηση της θερμοκρασίας. Το 1896 ο Wilhelm Wien βρήκε έναν νόμο ακτινοβολίας που ήταν σε κάποια συμφωνία με τις παρατηρήσεις:
όπου c1 και c2 σταθερές. Το ενδιαφέρον είναι πως ο Rayleigh τον Ιούνιο του 1900, δημοσίευσε(**) μια σύντομη εργασία, στην οποία εισάγεται μια έκφραση της ακτινοβολίας του μέλανος σώματος που περιγράφει την ένταση στα μεγάλα μήκη κύματος καλύτερα από το νόμο του Wien. Εισάγοντας στην έκφρασή του και έναν εκθετικό παράγοντα καταλήγει στην σχέση:
όπου c’1 και c’2 νέες σταθερές. Η παιδαγωγική εκδοχή του νόμου του Rayleigh (εξ. 1) δεν περιέχει τον εκθετικό παράγοντα! Ο πραγματικός νόμος του (εξ. 3) δεν οδηγεί στην «υπεριώδη καταστροφή» για μικρά μήκη κύματος. Αλλά κανείς δεν έδωσε σημασία. Ούτε ο Planck. Οι περισσότεροι φυσικοί πίστευαν πως ο αντίστοιχος νόμος του Wien (εξ. 2) λειτουργούσε τόσο καλά, που ικανοποιούσε τον στόχο που είχε θέσει ο Kirchhoff.
Τον Οκτώβριο του 1900, πειραματιστές από το Physikalich-Technische Reichsanstalt του Βερολίνου ανέφεραν στον Planck ότι υπήρχαν αποκλίσεις από το νόμο Wien για τις πολύ χαμηλές συχνότητες ή τα μεγάλα μήκη κύματος. Αυτό σήμαινε ότι ο νόμος του Wien ήταν εσφαλμένος. Ο Planck χρησιμοποιώντας τα όρια της πειραματικής καμπύλης κατάφερε να εξαγάγει έναν νέο νόμο:
Στην πραγματικότητα η υπεριώδης καταστροφή συζητήθηκε για πρώτη φορά αρκετά χρόνια(***) αφότου ο Planck δημοσίευσε τον νόμο του, οπότε δεν έπαιξε κανένα ρόλο στην έμπνευσή του. Αυτό που έκανε ο Planck δεν το θεώρησε ως κβάντωση, αλλά ένα μαθηματικό τέχνασμα στους υπολογισμούς του ώστε η εξίσωσή του να προσαρμόζεται στα πειραματικά του δεδομένα.
Σε μια συνάντηση φυσικών – μεταξύ των οποίων και ο Rayleigh, – στην Πρωσική Ακαδημία στις 25 Οκτωβρίου 1900, παρουσιάστηκε η πρόταση του Planck. Κανείς δεν αναφέρθηκε στο νόμο του Rayleigh (εξ. 3) με ή χωρίς τον εκθετικό παράγοντα. Φαίνεται τελικά πως η υπεριώδης καταστροφή δεν ήταν η μεγάλη κρίση που παρακίνησε τον Planck να βάλει με ένα μαθηματικό τέχνασμα τα θεμέλια της κβαντικής φυσική.
Ο πρώτος ισχυρισμός ότι η ερμηνεία της ακτινοβολία του μέλανος σώματος δεν μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας την κλασική φυσική έγινε από τον … Αϊνστάιν το 1905. Στο πρώτο μέρος της εργασίας του ‘Concerning an Heuristic Point of View Toward the Emission and Transformation of Light’ (A. Einstein, Ann. Phys. 17, 132, 1905), όπου εισήγαγε την υπόθεση των κβάντων φωτός για να εξηγήσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, διαπίστωσε ότι η κλασική φυσική οδηγούσε αναπόφευκτα στον νόμο του Rayleigh και υποστήριξε ότι η θεωρητική ερμηνεία της ακτινοβολίας του μέλανος σώματος απαιτούσε την έννοια των κβάντων φωτός.
σημειώσεις:
(*) Το μέγεθος Ι(λ,Τ) είναι η συνάρτηση φασματικής κατανομής της αφετικής ικανότητας ή η ένταση της ακτινοβολίας που εκπέμπει ένα σώμα με μήκη κύματος μεταξύ λ και λ+Δλ και δεδομένη απόλυτη θερμοκρασία Τ, που είναι η ισχύς που εκπέμπει η μονάδα επιφάνειας του σώματος ανά Δλ στην περιοχή πλησίον του λ.
(**) Η δημοσίευση του Rayleigh για την ακτινοβολία του μέλανος σώματος, πριν την δημοσίευση του αντίστοιχου νόμου του Palnck:
(***) Η έκφραση «υπεριώδης καταστροφή» χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1911 από τον Paul Ehrenfest στο πρώτο συνέδριο Solvay το 1911, που είχε ως θέμα την «ακτινοβολία και τα κβάντα». Εκεί οι φυσικοί συνειδητοποίησαν ότι τα κβάντα θα αλλάξουν την πορεία της φυσικής, μια δεκαετία μετά τη δημοσίευση του Planck.
διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες: The Ultraviolet myth, Nils-Erik Bomark, Reidun Renstrøm –https://arxiv.org/abs/2402.03405
Κατηγορίες:ΙΣΤΟΡΙΑ, ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ
physicsgg 
Σχολιάστε