Stringtheorie und Quantenphysik

Eine Hoffnung Wissenschaftler haben ist, dass die String-Theorie einige der ungewöhnlichen Ergebnisse in der Quantenphysik erklären oder zumindest, versöhnen sie mit der allgemeinen Relativitätstheorie. Die Quantenphysik führt ihre Wurzeln bis 1900 zurück, als der deutsche Physiker Max Planck, eine Lösung für eine vorgeschlagene Thermodynamik Problem - ein Problem mit Hitze zu tun.

Er löste das Problem, indem sie einen Trick Einführung - wenn er davon aus, dass Energie in diskreten Paketen gebündelt wurde, oder Quanten, das Problem ging weg. (Es erwies sich als brillant zu sein, weil es funktionierte.) In dem Verfahren, dies zu tun, verwendet Planck eine Menge bekannt als Planck-Konstante ist, das hat zur Quantenphysik wesentlich bewiesen - und Stringtheorie.

Planck verwendet, um dieses Quanten Konzept - das Konzept, dass viele physikalische Größen in diskreten Einheiten kommen - ein Problem in der Physik zu lösen, sondern auch Planck selbst davon aus, dass dies nur ein kluger mathematischen Verfahren die Unendlichkeit zu entfernen. Es würde fünf Jahre dauern für Albert Einstein die Quanten Revolution in der Physik fortzusetzen.

Die Schwarzkörperstrahlung Problem, das Planck zu lösen versuchte, ist eine grundlegende Thermodynamik Problem, in dem Sie ein Objekt, das so heiß ist, dass es im Inneren glüht. Ein kleines Loch ermöglicht es dem Licht zu entweichen, und es kann untersucht werden. Das Problem ist, dass in den 1800er Jahren, Experimente und Theorien in diesem Bereich nicht nach oben ergab.

Ein heißes Objekt strahlt Wärme in Form von Licht (glühende Kohlen in einem Feuer oder die Metallringe auf Elektroherde sind beide gute Beispiele dafür). Wenn dieses Objekt im Inneren offen waren, wie in einem Ofen oder einer Metall-Box, würde die Wärme im Inneren herumspringt.

Diese Art von Objekt wurde genannt Schwarz - weil das Objekt selbst kein Licht reflektieren, strahlt nur Wärme - und in den 1800er Jahren, die Art und Weise Wärme verschiedene theoretische Arbeit in der Thermodynamik hatte in einem schwarzen artig untersucht.

Nehmen wir nun an, dass es eine kleine Öffnung - wie ein Fenster - in den Ofen, durch die Licht entweichen kann. dieses Licht Studieren zeigt Informationen über die Wärmeenergie innerhalb des schwarzen Körpers.

Im Wesentlichen hat die Wärme im Inneren eines schwarzen Körpers in Form von elektromagnetischen Wellen, und weil der Ofen Metall ist, sie stehende Wellen mit Knoten, an denen sie die Seite des Ofens entsprechen. Diese Tatsache - zusammen mit einem Verständnis der Elektromagnetik und Thermodynamik - kann die Beziehung zwischen Licht der Intensität (Helligkeit) und Wellenlänge zu berechnen.

Das Ergebnis ist, dass die Wellenlänge des Lichtes sehr klein wird (der ultraviolette Bereich elektromagnetischer Energie), wird die Intensität drastisch erhöhen soll, nähert sich unendlich.

In der Natur-Forscher beobachten eigentlich nie Unendlichkeiten, und das war keine Ausnahme. Die Forschung hat gezeigt, dass es maximale Intensitäten im ultravioletten Bereich waren, die vollständig die theoretischen Erwartungen widersprachen, wie in dieser Figur gezeigt. Diese Diskrepanz kam als das bekannt sein UV-Katastrophe.

Die Ultraviolett-Katastrophe bedroht die Theorien der Elektromagnetik und / oder Thermodynamik zu untergraben. Klar, wenn sie nicht Experiment ergab, dann eine oder beide der Theorien enthaltenen Fehler.

Wenn Planck die UV-Katastrophe im Jahr 1900 beschlossen, tat er so durch die Idee der Einführung, dass das Atom nur Licht emittieren, absorbieren oder könnte in Quanten (Oder diskrete Energiebündel). Eine Implikation dieser radikalen Annahme war, dass es weniger Strahlung bei höheren Energien emittiert werden.

Durch die Einführung der Idee von diskreten Energiepaketen - durch Quantisierung Energie - Planck erzeugt eine Lösung, die eine Klärung der Situation, ohne dramatisch auf die bestehende Theorien zu revidieren (zumindest damals).

Planck Einsicht kam, als er auf die Daten sah und versuchte herauszufinden, was los war. Offensichtlich waren die langwelligen Prognosen schließen mit dem Experiment zu passend, aber die kurzwelliges Licht war es nicht. Die Theorie war die Menge des Lichts über die Vorhersage, dass bei kurzen Wellenlängen erzeugt werden würde, so dass er brauchte eine Möglichkeit, diese kurze Wellenlänge zu begrenzen.

Zu wissen, einige Dinge über Wellen, wusste Planck, dass die Wellenlänge und Frequenz wurden in umgekehrter Beziehung. Also, wenn Sie über Wellen mit kurzer Wellenlänge zu sprechen, reden Sie auch über Wellen mit hoher Frequenz. Alles, was er tun musste, war einen Weg finden, die Menge der Strahlung bei hohen Frequenzen zu senken.

Planck überarbeitet die Gleichungen unter der Annahme, dass sich die Atome nur oder in endlichen Mengen absorbieren Energie emittieren könnte. Die Energie und die Frequenz wurde durch einen Anteil bezogen genannt Plancksche Konstante. Physiker verwenden Sie die Variable h Plancksche Konstante in seiner resultierenden physikalische Gleichungen darzustellen.

Die resultierende Gleichung gearbeitet, um die experimentellen Ergebnisse der Schwarzkörperstrahlung zu erklären. Planck, und anscheinend alle anderen, dachte, das war nur eine mathematische Trickserei der Hand, die das Problem in einer seltsamen, Spezialfall gelöst hatte. Wenig tat jedermann erkennen, dass Planck hatte gerade die Grundlage für die seltsamsten wissenschaftlichen Entdeckungen in der Geschichte der Welt gelegt.