De la certitudine la incertitudineLegile existente la finele secolului XIX privind distribuţia energiei emise de un corp absolut negru conduceau la predicţii absurde (catastrofa ultravioletă). În 1900 Max Planck rezolva acest mister, revoluţionând fizica şi introducând noţiunea de cuantă de lumină.

 

 

 

Înţelesurile relativităţii (3)

RADIAŢIA CORPULUI ABSOLUT NEGRU

Dacă Einstein era adeptul unei realităţi independente şi obiective, care era poziţia lui Niels Bohr? Bohr era un gânditor foarte subtil şi scrierile sale din zona teoriei cuantice sunt adesea greşit înţelese, chiar şi de către fizicieni cu experienţă! Pentru a înţelege felul în care au evoluat opiniile lui Bohr despre incertitudine şi ambiguitate trebuie să ne întoarcem la anul 1900, mai exact la problema lui Kelvin privind distribuţia energiei între moleculele unui sistem şi la o problemă încă şi mai supărătoare - legată de cea dintâi - aceea a radiaţiei corpului absolut negru.

O floare, o rochie sau un tablou sunt colorate deoarece absorb lumina de anumite frecvenţe şi, respectiv, reflectă alte frecvenţe ale spectrului electromagnetic vizibil. Însă o suprafaţă perfect neagră absoarbe toată lumina incidentă pe suprafaţa sa. Nicio culoare nu are prioritate în detrimentul alteia, la fel cum nu există o anumită frecvenţă care să fie favorizată faţă de altele. La fel, atunci când respectiva suprafaţă de culoare neagră este mai caldă decât mediul învecinat, aceasta va radia energia acumulată şi, fiind de culoare neagră, va radia energie electromagnetică la toate frecvenţele posibile, fără diferenţieri între unele frecvenţe (ori culori) şi altele.

 



Când fizicienii de la finele secolului al XIX-lea au folosit teoriile disponibile atunci pentru a calcula câtă energie radiază un corp absolut negru, valoarea obţinută a fost, în mod absurd, infinită. Era clar că undeva se făcea o greşeală, dar nimeni nu a putut localiza eroarea din cadrul teoriilor pe care se fundamentau calculele efectuate.

Mai devreme pe parcursul aceluiaşi secol al XIX-lea fizicianul scoţian James Clerk Maxwell descrisese lumina ca fiind o undă. Fizicienii ştiau să efectueze calcule în cazul undelor de suprafaţă care se formează pe întinderile mari de apă (mări şi oceane), a undelor sonore care se propagă în sălile de concerte ori a celor care apar când scuturăm de o frânghie fixată la celălalt capăt. Undele pot fi caracterizate de orice valoare a lungimii de undă, cu un număr infinit de valori succesive. În cazul sunetului, de pildă, cu cât lungimea de undă – distanţa dintre un maxim al amplitudinii undei şi următorul - este mai scurtă, cu atât creşte înălţimea ori frecvenţa sunetului, întrucât cu cât distanţa dintre două maxime succesive este mai scurtă, cu atât mai multe maxime trec printr-un anumit punct, cum ar fi urechea omului, într-un interval de timp dat. Acelaşi lucru este valabil şi în cazul luminii: lungimile de undă mari se situează spre capătul roşu al spectrului, în timp ce lumina albastră este rezultatul unor frecvenţe mai mari şi, deci, a lungimilor de undă mai scurte.

Prin analogie cu undele sonore ori cu cele de suprafaţă, despre undele luminoase radiate de un corp fierbinte se credea că au toate lungimile de undă şi frecvenţă posibile; cu alte cuvinte, lumina avea un număr infinit de gradaţii de la o lungime de undă la următoarea (lungimile de undă permise nu sunt valori discrete: dacă ne referim la un interval de frecvenţe cuprins între f1 şi f2, atunci fiecare frecvenţă din acel interval este permisă; aceasta face ca atunci când se evaluează contribuţia unui interval de frecvenţe la total, matematic e nevoie de efectuarea unor calcule integrale şi nu a unor simple sume - n.tr.). Astfel se ajungea la valori infinite în calculele efectuate, de unde cantitatea infinită de energie radiată de corpul negru.

 

CUANTA

În 1900 Max Planck descoperea soluţia acestei probleme. El propunea ideea că nu sunt permise toate frecvenţele şi lungimile de undă posibile, deoarece energia luminoasă este radiată doar în cantităţi discrete numite cuante. În locul unui spectru continuu al radiaţiei emise de un corp încins, este vorba mai degrabă de o emisie discontinuă, finită a unor serii de cuante.

Cu o singură lovitură problema radiaţiei corpului absolut negru fusese rezolvată şi se deschisese uşa către un întreg domeniu complet nou al fizicii care s-a consacrat ulterior sub numele de mecanică cuantică. Ironic este faptul că Einstein a fost primul care a aplicat ideile lui Planck. El a susţinut că dacă lumina există sub forma unor mici corpusculi, numite cuante, asta înseamnă că în momentul în care radiaţia luminoasă intră în contact cu suprafaţa unui metal se produce un fenomen similar unui mic bombardament al suprafeţei metalice cu gloanţe microscopice, ceea ce duce la dislocarea unor electroni din structura metalică. Este exact principiul pe care îşi bazează funcţionarea minuni tehnologice asemenea „ochiului magic” (expresie folosită în limba engleză pentru a desemna o celulă fotoelectrică - n.tr.).  Când vă aşezaţi în dreptul uşii unui ascensor întrerupeţi o rază de lumină al cărei rol este să „alimenteze” o celulă fotosensibilă. Raza constă din cuante de lumină (fotoni) care eliberează electroni la nivelul fotoreceptorului, dând astfel naştere unui curent electric care activează un circuit care comandă închiderea uşii. O persoană care se poziţionează în dreptul uşii unui lift nu face altceva decât să întrerupă respectivul fascicul luminos, şi în consecinţă uşa nu se mai închide.

 



Următorul eveniment important în dezvoltarea teoriei cuantice are loc în anul 1913 şi îl are drept actor pe tânărul Niels Bohr care sugerează că nu doar lumina, ci şi energia atomilor este cuantificată. Astfel se explică de ce, atunci când atomii cedează o parte din energia proprie sub formă de radiaţie, energia emisă de un atom încins nu are un spectru continuu, ci constă dintr-o serie de frecvenţe discrete - spectrului de emisie al respectivului atom. Cu ajutorul contribuţiilor venite din partea lui Werner Heisenberg, Max Born, Erwin Schrödinger şi a altor câţiva fizicieni, edificiul teoriei cuantice era desăvârşit. Şi odată cu acesta incertitudinea pătrundea în inima fizicii moderne.

"De la certitudine la incertitudine" (5)

 

Traducerea este făcută cu acordul autorului şi este protejată de legea drepturilor de autor.


Dacă găsiţi scientia.ro util, sprijiniţi-ne cu o donaţie.


PayPal ()
Susţine-ne pe Patreon!


Contact
| T&C | © 2020 Scientia.ro