Descoperirea naturii cuantificate a energiei

Descoperirea naturii cuantificate a energiei a fost rezultatul unei coincidențe ingenioase, iluminând un domeniu anterior obscur. Fizica statistică a fost instrumentul, iar fizicianul german Max Planck (1858-1947) a fost cel care a reușit, fiind considerat, datorită acestei descoperiri, părintele fizicii cuantice.

Punctul de plecare al lui Planck a fost încercarea de a rezolva o problemă existentă în fizica vremii sale. Într-o sursă de radiație, frecvențele joase corespund culorii roșii, iar cele înalte culorii violet, în spectrul vizibil. Dincolo de violet, spre energii mai mari, se află ultravioletul, iar dincolo de roșu, spre energii mai mici, se află infraroșul. Problema era că energia recepționată varia în funcție de frecvența principală de emisie a sursei, chiar dacă sursele emit pe toate frecvențele, una fiind fundamentală.

O lege sugera că această variație depinde de pătratul frecvenței, la frecvențe joase. Rezultatul acestei legi era o parabolă cu aspectul unor coarne orientate în sus. Însă, la frecvențe înalte, densitatea de energie asociată era excesiv de mare. Acest rezultat absurd era cunoscut sub numele de catastrofa ultravioletă.

Alți cercetători au propus, pe baza observațiilor experimentale, înlocuirea pătratului frecvenței cu o funcție cubică și adăugarea unui termen de corecție. Când frecvența creștea foarte mult, se introducea matematic o expresie care corecta rezultatul, evitând problema legii concurente. Adică, rezultatele experimentale erau corectate matematic pentru a se potrivi observațiilor.

În acea perioadă, fizica statistică realiza progrese semnificative. Se știa că energia depinde de toate stările posibile și de toate modurile posibile în care se pot aranja moleculele radiațiilor. Planck a presupus că acestea se comportă ca oscilatori armonici, mici resorturi care vibrează cu o anumită frecvență și care pot vibra doar la frecvențe cuantificate, adică doar la anumite frecvențe permise. Energia nu ar fi, așadar, continuă.

Combinând această idee cu formulele matematice existente și cu observațiile de la frecvențe înalte și joase, Max Planck a obținut un rezultat corect. Însă, fiind teoretician, nu a fost pe deplin conștient de implicațiile descoperirii sale. A observat funcționarea modelului, dar nu a găsit o explicație profundă. Abia când Einstein a explicat efectul fotoelectric s-a înțeles că acele salturi de energie, acele vibrații, sunt posibile.

Înțelegerea faptului că energia este cuantificată a schimbat totul, reprezentând baza fizicii cuantice. Unirea teoriei cu experimentarea a transformat lumea pe care o cunoșteam. Trecerea de la o energie continuă la una care variază în salturi este o schimbare conceptuală radicală. În lumea microscopică, această cuantificare este vizibilă într-o multitudine de sisteme, nu doar în fotoni. O observăm în stările atomului. Astfel, s-a înțeles nu doar cum să explicăm lumina, ci și cum să explicăm atomi individuali, molecule… Toată fizica stării solide se bazează pe această înțelegere a stărilor. Toată cuantificarea ulterioară a progresat datorită acestei validări experimentale și a altora, cum ar fi efectul fotoelectric. Fizica cuantică se născuse.

Ruth Lazkoz este doctor în Fizică, profesoară și cercetătoare la Universitatea Țării Bascilor.

Întrebare trimisă de José Manuel Teodoro.

Noi răspundem este un consultanță științifică săptămânală, sponsorizată de programul L’Oréal-Unesco ‘For Women in Science’ și de Bristol Myers Squibb, care răspunde la îndoielile cititorilor despre știință și tehnologie. Oamenii de știință și tehnologii, membri ai AMIT (Asociația Femeilor Cercetătoare și Tehnologice), sunt cei care răspund la aceste îndoieli. Trimiteți întrebările dumneavoastră la sau prin X #nosotrasrespondemos.