Tip:
Highlight text to annotate it
X
Waar komt kwantumtheorie vandaan?
Het begon, niet als een gek idee, maar met een gloeilamp. In het begin van de jaren 1890 vroeg het Duitse
Bureau voor Standaardisatie aan Max Planck hoe je gloeilampen efficiënter kan maken zodat ze
zoveel mogelijk licht geven met het laagste electriciteitsverbruik.
Het eerste probleem voor Planck was te voorspellen hoeveel licht een hete gloeidraad afgeeft. Hij
wist dat licht bestaat uit electromagnetische golven, waarbij verschillende kleuren licht
gedragen worden door verschillende frequenties van golven. De opdracht was zoveel mogelijk licht
in zichtbare golven te maken, en niet in ultraviolette of infrarode.
Hij probeerde uit te zoeken hoeveel licht van elke kleur een voorwerp uitstraalt, maar zijn voorspellingen,
gebaseerd op de theorie over electromagnetisme kwamen nooit overeen met de resultaten van experimenten.
Dus, in wat hij later een "wanhoopsdaad" noemde, gooide hij de hele bestaande theorie
overboord en begon omgekeerd te werken, beginnend bij meetresultaten. De gegevens leerden hem een nieuwe
natuurkundewet: lichtgolven dragen energie in pakketjes, waarbij licht met hoge frequentie
bestaat uit grote energiepakketjes en licht met lage frequentie uit kleine
energiepakketjes.
Het idee dat licht bestaat uit pakketjes, "quanta", klinkt misschien raar, zeker in die tijd, maar
Einstein verbond het al snel met een beter bekend probleem: delen.
Als je een kind blij wil maken... geef het een koekje! Maar als er twee kinderen zijn, en je
hebt maar één koekje, zal je ze maar half zo blij maken. En als er
vier zijn, of acht, of zestienhonderdduizend, gaan ze helemaal niet gelukkig zijn
als ze het koekje onder mekaar moeten verdelen.
Erger nog, als je een kamer hebt met oneindig veel kinderen, maar niet oneindig veel koekjes,
en je verdeelt de koekjes gelijk, zal elk kind maar een infinitesimaal klein kruimeltje krijgen, en
geen enkel zal er vrolijk van worden. Terwijl ze wel al je koekjes op hebben.
Het verschil tussen lichtgolven en kinderen is natuurlijk dat je niet echt oneindig veel
kinderen in een kamer kan zetten. Maar omdat er lichtgolven zijn in alle maten kan je ze zo klein maken
als je wil, dan kunnen er oneindig veel in een kamer. En dan zouden de lichtgolven
al je koekjes opeten... of, je energie natuurlijk.
Al die infinitesimale golfjes samen zouden een oneindige capaciteit hebben om energie
te absorberen, en ze zouden alle warmte uit alles wat je in de kamer zet opzuigen, en in
een oogwenk je thee bevriezen in je kopje, of de zon, of zelfs een supernova.
Gelukkig werkt het universum, zoals Planck al vermoedde, niet zo, de kleine golfjes van hoge
frequentie kunnen alleen maar energie in heel grote pakketten dragen. Ze zijn als moeilijke kinderen
die alleen maar precies zevenendertig koekjes willen, of honderd tweeënzestig duizend koekjes,
niet meer en niet minder. Omdat ze zo kieskeurig zijn krijgen de hoge frequentie golven niet veel en
wordt de meeste energie weggedragen door lage frequentie pakketjes, die bereid zijn ze te delen.
Deze gemeenschappelijke, gemiddelde energie die de pakketjes dragen, is in feite wat we
verstaan onder "temperatuur".
Dus, een hogere temperatuur betekent slechts een hogere gemiddelde energie, en dus volgens de wet van Planck,
dat er een hogere frequentie licht wordt uitgezonden. Daarom, naarmate een object warmer wordt, gloeit het eerst
infrarood, dan rood, geel, wit; steeds warmer naar blauw, paars, ultraviolet...
en zo verder.
Planks kwantumtheorie over kieskeurig licht vertelt ons dus dat gloeidraden het beste
verhit worden tot een temperatuur van ongeveer 3200 Kelvin om zeker te zijn dat de meeste energie uitgestraald
wordt als zichtbare golven - heter, zouden we beginnen bruinen van het ultraviolette licht.
Eigenlijk zijn we de kwantumfysica al lang vóór gloeilampen en zonnehemels tegengekomen:
mensen hebben al millennialang vuur gemaakt, en de kleur van de
vlammen kon al lang als "kwantum" gelezen worden.