În jurul anului 1900, doi băieți s-au jucat cu fizica și au stricat-o. A fost nevoie ca omenirea să-și cumpere altă fizică, și de un creier ca al lui Einstein să-i facă rodajul, după aia.

Pe cei doi băieți îi chema Lord Rayleigh și Sir Jeans, chestie pe care probabil o veți uita până la finalul articolului. Aceasta este povestea lor.

Undele electromagnetice

De undele electromagnetice am vorbit un pic la articolul despre unde, dar vreau să vă mai povestesc niște chestii.

Undele electromagnetice sunt unde transversale, cu lungimi de undă mici, care se propagă prin vid cu viteza luminii (adică 300.000 km/s). Lumina este, ați ghicit, o undă electromagnetică.

În funcție de lungimea de undă (care, pentru uituci, este distanța între două vârfuri ale valului, dacă ne imaginăm unda ca un val), și, implicit, de frecvență (câte valuri pleacă de la sursă într-o secundă), avem diferite tipuri de unde.

Uite aici o poză cu undele electromagnetice:

O să observați în poză că spre capătul din stânga (radiații gamma și X), frecvențele sunt enorme (am încercat să scriu în cuvinte, dar cumva, un miliard de trilioane de oscilații pe secundă sună a nimic) și lungimile de undă foarte mici, iar cele mai lungi și puturoase unde sunt undele radio, în capătul celălalt al spectrului. Oamenii percep doar o mică parte a spectrului electromagnetic: lungimile de undă între 380-750nm definesc culorile. Șerpii, se pare, văd un pic și infraroșu.

Experimentul de care s-a împiedicat fizica

Înapoi la băieții noștri. Pe vremea lor, nu se descoperiseră încă radiațiile X și gamma, și radiația cu cea mai mică lungime de undă era considerată radiația ultravioletă (UV).

Rayleigh și Jeans observaseră că orice corp încălzit emite radiație electromagnetică.

Chestia asta nu a fost vreo mișcare de geniu, și puteți și voi să o observați:

  • Dacă fierbeți apă pentru ceai (când sunteți bolnavi, pentru că altfel nu înțeleg de ce cineva ar bea ceai), și țineți mâinile deasupra apei, veți simți căldură, adică radiații infraroșii. Acuma uitați-vă mai sus, la poză, să vedeți cam ce lungime de undă și frecvență are radiația infraroșie.
  • Dacă încălziți o plită la 600°C, veți vedea o slabă lumină roșie – hopa, deja intrăm în spectrul vizibil, la culoarea roșie!
  • Dacă vă uitați într-un bec cu filament electric (nu vă uitați în bec!), care e încălzit cam la 2000°C, lumina emisă e albă (tot în spectrul vizibil).
  • Peste 4000°C, de exemplu la sudura cu arc electric, este emisă radiație ultravioletă (de aia poartă sudorii măști și de aia îți ziceau părinții când erai mic să nu te uiți când sudează cineva, că îți strici ochii).

Băieții ăștia cu mult prea mult timp liber s-au gândit să descopere o relație matematică între temperatură, intensitatea radiației electromagnetice (intensitatea este puterea cu care radiația „lovește” într-un anumit loc) și frecvența radiației.

Pentru treaba asta au folosit un corp absolut negru.

Corpul absolut negru

Corpul absolut negru este un sistem care absoarbe toată radiația. Nu reflectă nimic, deci culoarea lui ne pare neagră. Cine a purtat tricoul cu Metallica la 40 grade în București, știe despre de vorbesc.

Dacă încălzești un corp absolut negru, el începe să emită radiație din spectrul electromagnetic, în funcție de temperatură, după cum v-am povestit și mai sus.

Graficul frumos

Rayleigh și Jean au încălzit corpul negru și au măsurat radiația emisă la diferite temperaturi. Au corelat intensitatea radiației cu temperatura și lungimea de undă și s-au bucurat un pic, pentru că le-a dat un grafic frumos.

Cam așa.

După care s-au uitat cât de repede urcă curba aia pe grafic și și-au dat seama că la lungimi de undă foarte mici (domeniul ultravioletelor), intensitatea radiației ar trebui să fie atât de mare, încât să îi carbonizeze instantaneu.

Ceea ce i-a făcut și pe Rayleigh și James, probabil, să exclame

-Oh. Bloody. Hell.

Graficul adevărat

Fix aici a fost momentul în care fizica clasică s-a dus în bot.  Experimental, ei au observat că de fapt radiațiile se comportau un pic diferit, și anume așa:

 

Pentru situația asta, toată fizica de la Newton încoace avea zero explicații. De asta, tot acest experiment se cheamă, un pic exagerat, „catastrofa ultravioletă”.

Cum s-a rezolvat problema

Câțiva ani mai târziu, un neamț pe nume Max Planck a venit cu o explicație atât de neobișnuită, că nici el nu prea credea în ea: a zis că lumina este emisă nu în unde, ci în porții discrete care pot avea doar anumite valori (de aia graficul ăla scade la un moment dat). Porțiile astea el le-a numit cuante de lumină.

Vreo douăzeci de ani mai târziu, Albert Einstein dezvolta teoria asta și boteza cuantele de lumină, fotoni. S-a stabilit că lumina se comportă dual,  ca undă, dar și ca emisie de particule, și fizica s-a peticit cumva.

De fapt, după cum ziceam, nu s-a mai reparat cu adevărat niciodată. De la Planck încoace, omenirea și-a tras o fizica nouă: fizica cuantică.  

 

Acest articol a fost scris cu creierul lichefiat. Cineva mai deștept decât mine să facă un check rapid și să-mi spună dacă vede vreo tâmpenie.