La théorie des cordes et la physique quantique

Un espoir est que les scientifiques ont la théorie des cordes va expliquer certains des résultats inhabituels dans la physique quantique ou, à tout le moins, la concilier avec la relativité générale. La physique quantique les racines remontent à 1900, lorsque le physicien allemand Max Planck a proposé une solution à un thermodynamique problème - un problème d'avoir à faire avec la chaleur.

Il a résolu le problème en introduisant une astuce mathématique - si il a supposé que l'énergie a été empaqueté dans des paquets discrets, ou quanta, le problème a disparu. (Il a prouvé pour être brillant, car il a travaillé.) Dans le processus de faire cela, Planck a utilisé une quantité connue sous le nom La constante de Planck, qui se sont révélés indispensables à la physique quantique - et la théorie des cordes.

Planck utilisé ce concept quantique - le concept que beaucoup de grandeurs physiques viennent en unités discrètes - pour résoudre un problème en physique, mais même Planck lui-même suppose que ce fut juste un processus mathématique intelligente pour enlever l'infini. Il faudra cinq ans pour Albert Einstein de continuer la révolution quantique en physique.

Le problème de rayonnement du corps noir, qui Planck essayait de résoudre, est un problème de la thermodynamique de base où vous avez un objet qui est si chaud qu'il brille à l'intérieur. Un petit trou permet à la lumière d'échapper, et il peut être étudiée. Le problème est que dans les années 1800, des expériences et des théories dans ce domaine ne correspondent.

Un objet chaud émet de la chaleur sous forme de lumière (des charbons ardents dans un incendie ou les anneaux de métal sur les cuisinières électriques sont deux bons exemples de cela). Si cet objet était ouvert à l'intérieur, comme un four ou une boîte en métal, la chaleur serait rebondir autour de l'intérieur.

Ce type d'objet a été appelé corps noir - parce que l'objet lui-même ne réfléchit pas la lumière, ne rayonne la chaleur - et tout au long des années 1800, différents travaux théoriques en thermodynamique avait examiné la façon dont la chaleur comporté l'intérieur d'un corps noir.

Supposons maintenant qu'il ya une petite ouverture - comme une fenêtre - dans le four, à travers laquelle la lumière ne peut échapper. L'étude de cette lumière révèle des informations sur l'énergie de la chaleur dans le corps noir.

Essentiellement, la chaleur à l'intérieur un corps noir a pris la forme d'ondes électromagnétiques, et parce que le four est en métal, ils sont vagues debout, avec des nœuds où ils rencontrent le côté du four. Ce fait - avec une compréhension de l'électromagnétisme et thermodynamique - peut être utilisé pour calculer la relation entre l'intensité (ou la luminosité) et la longueur d'onde de la lumière.

Le résultat est que la longueur d'onde de la lumière devient très petite (l'ultraviolet de l'énergie électromagnétique), l'intensité est censé augmenter de façon spectaculaire, tendant vers l'infini.

Dans la nature, les scientifiques observent jamais réellement infinis, et cela n'a pas fait exception. La recherche a montré qu'il y avait des intensités maximales dans le domaine de l'ultraviolet, qui a complètement contredit les attentes théoriques, comme le montre cette figure. Cet écart est venu à être connu sous le nom catastrophe ultraviolette.

La catastrophe ultraviolette a menacé de saper les théories de l'électromagnétisme et / ou la thermodynamique. De toute évidence, si elles ne correspondent pas l'expérience, puis un ou l'autre des théories erreurs contenues.

Lorsque Planck résolu la catastrophe ultraviolette en 1900, il l'a fait en introduisant l'idée que l'atome ne pouvait absorber ou émettre de la lumière dans quanta (ou des faisceaux discrets de l'énergie). Une des conséquences de cette hypothèse radicale était qu'il y aurait moins de rayonnement émis à des énergies plus élevées.

En introduisant l'idée de paquets d'énergie discrets - en quantifiant l'énergie - Planck a produit une solution qui a résolu la situation sans avoir à réviser considérablement les théories existantes (au moins à l'époque).

La perspicacité de Planck est venue quand il a regardé les données et a essayé de comprendre ce qui se passait. De toute évidence, les prédictions de longueurs d'onde longues étaient loin de correspondre avec l'expérience, mais la lumière de longueur d'onde courte était pas. La théorie était trop prédire la quantité de lumière qui serait produite à courtes longueurs d'onde, donc il fallait trouver un moyen de limiter cette courte longueur d'onde.

Connaissant certaines choses sur les ondes, Planck savait que la longueur d'onde et la fréquence étaient inversement proportionnels. Donc, si vous parlez des vagues avec courte longueur d'onde, vous parlez aussi des ondes à haute fréquence. Tout ce qu'il avait à faire était de trouver un moyen de réduire la quantité de rayonnement à des fréquences élevées.

Planck retravaillé les équations, en supposant que les atomes ne pouvaient émettre ou absorber l'énergie en quantités finies. L'énergie et la fréquence étaient liés par une proportion appelée La constante de Planck. Les physiciens utilisent la variable h pour représenter la constante de Planck dans ses équations de la physique résultant.

L'équation résultante a travaillé pour expliquer les résultats expérimentaux de rayonnement du corps noir. Planck, et apparemment tout le monde, pensaient que ce était juste un passe-passe mathématique de main qui avait résolu le problème dans un étrange cas particulier. Peu importe qui ne compte que Planck venait jeté les bases pour les découvertes scientifiques les plus étranges dans l'histoire du monde.