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Da dove viene la meccanica quantistica?
È iniziata, non come un'idea folla, ma con una lampadina. Intorno al 1890, il
Deutsches Institut für Normung chiese a Max Planck come fare lampadine più efficienti in modo da avere
il massimo di luce con il minimo consumo di energia elettrica.
Il primo obiettivo che Planck si pose era di prevedere quanta luce esce da un filamento caldo.
Lui sapeva che la luce è fatta di onde elettro-magnetiche, con i diversi colori
portati da onde con diversa frequenza. Il problema era di assicurarsi che la maggior parte possibile
fosse luce visibile piuttosto che luce ultra-violetta o infrarossa.
Lui provò a teorizzare quanta luce per ogni colore viene emessa da un oggetto caldo, ma
le sue predizioni, basate sull'elettro-magnetismo classico erano in disaccordo con gli esperimenti.
Quindi, in quello che dopo chiamò "atto di disperazione", buttò la teoria esistente
dalla finestra e tornò a lavorare sulle misure sperimentali. I dati lo indirizzarono a una nuova
legge della fisica: le onde di luce portano energia solo in pacchetti, le alte frequenze consistono
in pacchetti di grande energia e basse frequenze in pacchetti
di energia minore.
L'idea che la luce viaggi in pacchetti o "quanti", può sembrare folle, e a quel tempo lo era, ma
Einstein l'ha presto messa in relazione con un problema più familiare: la condivisione.
Se vuoi fare felice un bambino... dagli un biscotto! Ma se ci sono due bambini, e
tu hai solo un biscotto, potrai soltanto rallegrarli la metà. E se invece
sono quattro, o otto, sedici, centinaia, miglia, non li renderai molto felici
se devono condividere tutti un solo biscotto.
Infatti, se tu hai una stanza con un numero infinito di bambini ma non un'infinità di biscotti,
se dividi i biscotti equamente ogni bambino avrà una briciola infinitamente piccola, e
nessuno di loro sarà felice. E alla fine loro si saranno mangiati tutti i biscotti.
La differenza tra le onde di luce e i bambini è che non puoi realmente avere infiniti
bambini in una stanza. Ma siccome ci sono onde di luce di tutte le dimensioni, puoi avere onde
arbitrariamente piccole, quindi puoi farne entrare quante ne vuoi in una stanza. E allora le onde di luce
consumerebbero tutti i tuoi biscotti… Voglio dire, tutta la tua energia.
Infatti, tutte queste onde infinitesime insieme avrebbero una capacità infinita di assorbire energia
e si prendessero tutto il calore da tutto quello che c'è nella stanza… istantaneamente
congelerebbero il te nella tua tazza, o il sole, o persino una supernova.
Fortunatamente, l'universo non funziona così… perché, come Planck ipotizzò, le piccole, onde
di alta frequenza possono portare energia solo in grandi quantità. Sono come bambini puntigliosi
che accettano solo trenta-sette biscotti esatti, o cento-sessanta-due-mila biscotti,
né più né meno. Per la loro esigenza, le onde di alta frequenza sono soppresse e
la maggior parte dell'energia è portata dai pacchetti di frequenza minore che sono disposti a spartirla in
modo equo. Questo, l'energia media che i pacchetti portano, è quello che conosciamo come
"temperatura".
Quindi una temperatura maggiore significa un'energia media maggiore, e quindi per la legge di Planck,
una frequenza più alta della luce emessa. Che è il motivo per cui quando un oggetto viene riscaldato
emette prima nell'infrarosso, poi rosso, giallo, bianco; ancora più caldo sul blu, violetto, ultra-violetto…
e così via.
In particolare, la teoria di Planck della luce esigente ci dice che i filamenti delle lampadine dovrebbero
essere portati a una temperatura di circa 3200 Kelvin per assicurarci che la maggior parte dell'energia emessa
sia sotto forma di luce visibile - più calda e inizieremmo ad abbronzarci per la luce ultra-violetta.
In realtà, la meccanica quantistica ci è stata a guardare ben prima delle lampadine
e dei letti abbronzanti: l'essere umano ha acceso fuochi per millenni, con il colore delle fiamme
che ripeteva "quanto" per tutto il tempo.