Tip:
Highlight text to annotate it
X
Skąd się wzięła teoria kwantowa?
Zaczęła się, nie jako szalona idea lecz od żarówki. We wczesnych latach 1890-tych, w Niemczech.
Urząd Standardów zapytał Maxa Plancka w jaki sposób produkować żarówki,
aby dawały maksymalnie dużo światła przy minimalnym zużyciu energii elektrycznej.
Pierwszym zadaniem, z którym zmierzył się Planck było przewidzieć ile światła wyemituje gorący żarnik.
Wiedział, że światło składa się z fali elektromagnetycznej, gdzie różne kolory przenoszone są
przez różne częstotliwości fali. Problemem było zapewnić, aby najwięcej światła
emitowane było w paśmie widzialnym zamiast ultrafioletowym lub podczerwonym.
Próbował ustalić jak wiele światła każdego koloru emituje gorący obiekt, jednak jego przewidywania
bazujące na teorii elektromagnetycznej ciągle nie zgadzały się z eksperymentami.
W tej sytuacji, jak póżniej mówił "w akcie desperacji", wyrzucił istniejącą teorię do kosza
i pracował wstecz od pomiarów eksperymentalnych. Wyniki wskazały mu
nową zasadę fizyczną: fale świetlne przenoszą energię tylko w paczkach, gdzie światło wysokiej częstotliwości
składa się z dużych pakietów energii, a światło niskiej częstotliwości z małych pakietów
energii.
Idea, gdzie światło rozchodzi się w pakietach lub "kwantach" może brzmieć szalenie i taką wtedy była, ale
wkrótce Einstein powiązał ją ze znanym problemem: podziału.
Jeżeli chcesz uszczęśliwić dziecko... daj mu ciastko! Ale jeżeli jest dwoje dzieci, a Ty
masz tylko jedno ciastko, uszczęśliwisz je tylko w połowie. A jeżeli
dzieci jest czworo, lub ośmioro, lub 1 600 000, to nie uszczęśliwisz ich wcale
jeżeli będą musiały podzielić się jednym ciastkiem.
Właściwie, jeżeli masz pokój z nieskończoną liczbą dzieci, ale nie nieskończoną liczbą ciastek,
to jeżeli podzielisz wszystkie ciastka po równo, to i tak każde z dzieci dostanie nieskończenie mały
okruszek i żadne z nich nie będzie zadowolone, a mimo to i tak zjedzą wszystkie Twoje ciastka.
Różnica pomiędzy falami świetlnymi i dziećmi jest taka, że w rzeczywistości nie możesz mieć
nieskończenie wiele dzieci w pokoju. Fale świwetlne mogą mieć dowolny rozmiar, więc możesz mieć dowolnie
krótkie fale świetlne i wtedy zmieścisz ich w pokoju nieskończenie wiele. Wtedy fale świetlne
zjadłyby wszystkie Twoje ciastka... tzn. energię.
W rzeczywistości, wszystkie te nieskończenie krótkie fale razem posiadałyby nieskończoną pojemność
do zaaobsorbowania energii i wyssałyby całe ciepło ze wszystkiego co znalazłoby się w pokoju...
momentalnie zamrażając herbatę w filiżance, albo słońce, albo nawet supernową.
Na szczęście Wszechświat nie działa w ten sposób.. ponieważ, jak zgadł Planck, krótkie fale
o wysokiej częstotliwości mogą przenosić energię tylko w ogromnych pakietach. Są jak wybredne dzieci,
które zaakceptują dokładnie 37 ciastek lub 162 000 ciastek,
nie więcej i nie mniej. Ponieważ fale tak wybrzydzają, te o wysokiej częstotliwości nic nie dostają
i większość energii jest przenoszona w pakietach o mniejszej częstotliwości, które są chętne wziąć równą część.
Ta typowa, średnia energia, którą przenoszą pakiety, to w rzeczywistości coś co nazywamy
"temperaturą".
A zatem wyższa temperatura po prostu oznacza wyższą średnią energię i zgodnie z prawem Plancka,
emisję fali świetlnej o wyższej częstotliwości. Dlatego właśnie, gdy obiekt staje się gorętszy najpierw jarzy się
w podczerwieni, później na czerwono, żółto, biało; goręcej i goręcj w kierunku niebieskiego, fioletowego, ultrafioletu...
i tak dalej.
Konkretnie, teoria kwantowa Plancka o wybrenym świetle mówi nam, że żarnik żarówki powinien
zostać rozgrzany do temperatury 3200 Kelvinów, aby zapewnić, że większość energii zostanie wyemitowana
jako fale widzialne - goręcej i zaczelibyśmy się opalać od światła ultrafioletowego.
Właściwie, fizyka kwantowa patrzyła nam się w twarz na długo przed żarówkami
i łóżkami do opalania: istoty ludzkie od wieków rozpalały ogniska, gdzie kolory
płomieni od początku literowały "kwantowa".