giovedì 20 agosto 2015

Il Corpo Nero

Fisica Quantistica

Storia di una Rivoluzione ancora in atto



Ciao a tutti amanti della fisica!

 Con questo articolo cominciamo finalmente a parlare di fisica quantistica! E quale modo migliore per farlo se non ripercorrendo tutti gli avvenimenti storici che hanno portato alla luce le modalità del tutto imprevedibili con cui evolve la natura su scala microscopica?
La fisica quantistica, infatti, si osserva solamente quando lavoriamo con grandezze piccolissime rispetto a quelle che incontriamo tutti i giorni, eccetto rarissimi casi (che io sappia almeno). Il post sarà leggermente diverso dai precedenti proprio perché non ci concentreremo per ora sui risultati fisici che si ottennero, ma piuttosto sulle tappe storiche che portarono alla formulazione delle teorie che utilizziamo ancora oggi.
 

La prima rete elettrica di Berlino

Tutto comincia sul finire del 1800, a Berlino. L'elettricità e i suoi usi sono stati scoperti già da un po' e sono ancora all'attenzione di tutti: scienziati e non. Tuttavia, l'unica fonte “portatile” di elettricità continuano ad essere delle scomodissime pile, e per poter avere accesso a una quantità inesauribile di energia elettrica è necessario produrla da sé. Scomodo, no? Inimmaginabile per noi che siamo abituati alle prese elettriche!

Si cerca allora di portare l'elettricità nelle case in maniera più pratica. In sostanza si vuole realizzare la prima rete elettrica su larga scala. Ora, mettetevi nei panni del sindaco di Berlino: siete davvero disposti a sborsare marchi su marchi per far costruire un'opera faraonica che magari non funziona nemmeno bene? Prima di imbarcarsi in un'impresa del genere occorre per lo meno di essere certi di poter costruire una rete il più efficace possibile. Ecco che allora spunta fuori un imprenditore che avrebbe fatto ancora parlare di sé anche cento anni più tardi: Siemens. Proprio lui! Quello che ha fondato l'azienda di elettronica omonima!

Ernst Werner von Siemens
Insomma, immaginiamoci quest'ometto elegante che lancia una proposta:

Costruiamo un istituto di fisica teorica qui a Berlino, ingaggiamo un po' di pezzi grossi della fisica e li facciamo lavorare per cercare il modo più efficiente di portare l'elettricità nelle case!

A sorpresa, la proposta viene approvata.



Le prime innocenti scoperte

Potete immaginare come i fisici di quel tempo fossero interessati a fare ricerche su un campo così promettente! Insomma, in breve all'interno del nuovo istituto si comincia a lavorare su un po' di tutto. E in breve la proposta di Siemens viene ripagata: vengono fatte nuove scoperte. Anzi, una scoperta in particolare che segnerà l'inizio della fine della fisica classica! Non vi tengo sulle spine: per quanto possa sembrare insignificante come novità, si scopre che un corpo caldo emette radiazione elettromagnetica *(luce, in sostanza) di tutte le frequenze.



Piccola digressione per chiarire un concetto

A dire il vero il discorso della radiazione è un po' più ampio, quindi merita una digressione: si tratta in sostanza di onde elettromagnetiche, che a seconda della loro frequenza prendono nomi diversi. In ordine di frequenza crescente:



onde radio microonde infrarossi luce visibile ultravioletti raggi X raggi γ



O, più chiaramente:

La luce visibile non copre che una minima parte di tutte le frequenze possibili


All'interno della luce visibile poi possiamo distinguere i vari colori. Tipicamente a colori più caldi associamo una frequenza minore (con un minimo per il rosso) e a colori freddi una frequenza maggiore (massima per il violetto). Ultima cosa: oltre che con la frequenza (indicata con la lettera ν), è possibile descrivere un'onda anche attraverso la lunghezza d'onda λ. Lunghezza d'onda e frequenza di un'onda sono legate dalla relazione:
 


dove c rappresenta la velocità di propagazione dell'onda. Dal momento poi che la luce è un particolare tipo di onda elettromagnetica, è intuitivo che le onde elettromagnetiche in generale si propaghino con la velocità della luce.

Concetti di frequenza e lunghezza d'onda, se non lo sono già, diventeranno più chiari nel tempo a furia di utilizzarli.

FINE DELLA DIGRESSIONE





Insomma, stavamo dicendo che la nuova scoperta è che un corpo caldo irradia onde elettromagnetiche. Tuttavia, la radiazione **(sinonimo di onde elettromagnetiche) emessa non è ugualmente intensa per tutte le frequenze. Anzi si trova che, in generale, più un corpo è caldo più l'intensità della radiazione emessa sarà distribuita nelle frequenze maggiori.

Ok, probabilmente è un po' difficile da capire così, vediamo se riusciamo a dirlo con parole più semplici. Abbiamo questo corpo caldo che comincia a emettere questa specie di luce. Questa luce è di tutti i colori possibili (tutte le frequenze), ma alcuni colori (alcune frequenze) sono più intensi di altri. Come si fa a capire quali frequenze sono più intense? Si guarda la temperatura del corpo! Corpo molto caldo significa frequenze alte più intense, corpo poco caldo significa frequenze basse più intense. Chiaro?

Ok, possiamo proseguire.



Quando non sai cosa fare, costruisci un corpo nero!

 Ok, abbiamo fatto questa scoperta, ma non abbiamo capito niente del perché succede! E poi c'è da dire che non tutti i corpi emettono allo stesso modo anche se sono alla stessa temperatura! Alcuni corpi emettono sempre molta energia in alcune frequenze, altri alcune frequenze non le emettono proprio, altri hanno delle frequenze un po' irregolari,... Un bel problema, no? Che si fa quindi? Si cerca di costruire un oggetto che emetta tutte le frequenze e che si comporti in maniera ideale. Una volta che avremo quest'oggetto saremo in grado di studiare meglio questo fenomeno.
Insomma, con un po' di fatica si riesce a costruire quest'affare che si comporta come vogliamo ed emette tutte le frequenze, con intensità di queste ultime dipendente solo dalla temperatura del corpo. A quest'oggetto diamo il nome infelice di CORPO NERO. (nero perché il colore nero è formato appunto da tutte le frequenze)



È festa! In breve si riescono a tirare fuori un po' di risultati sperimentali, e da questi si vede che il corpo nero si comporta davvero bene! Vengono fuori anche delle leggi empiriche, ovvero non ricavate dalla teoria precedente, ma solo osservando i dati. Ci sono due leggi in particolare che descrivono davvero bene il comportamento di questo corpo: la Legge di Stefan e la Legge di Wien. Sembra tutto perfetto, ma in realtà c'è un problema di fondo. Queste leggi sono sperimentali e noi non abbiamo capito un accidenti di come funziona il corpo nero! Serve un modello teorico per descriverlo, non possiamo basarci solamente su dei risultati sperimentali!



I primi tentativi e la spiegazione

E pian piano questo modello teorico arriva. Per di più arriva da parte di due pezzi grossi, tra cui un premio Nobel, quindi gli scienziati sperano di essere arrivati alla fine del tunnel! Insomma, questi due tizi, Rayleigh e Jeans, presentano il loro modello al mondo, e questo funziona proprio bene! Predice esattamente tutti i risultati sperimentali con un margine d'errore davvero piccolo! Sono tutti entusiasti!

MA

Il modello di Rayleigh-Jeans fallisce completamente non appena si cerca di applicarlo per prevedere l'intensità delle frequenze più alte (ultravioletti). Cosa si osserva? Un corpo non troppo caldo emette una modesta quantità di energia nelle frequenze ultraviolette. Magari quest'energia è più o meno elevata a seconda della temperatura, ma di certo si mantiene limitata. Cosa prevede invece il modello di Rayleigh-Jeans? Prevede che l'energia emessa diverga per frequenze elevate, ossia che i raggi ultravioletti (raggi UV) emessi dal corpo nero trasportino ENERGIA INFINITA. Questa previsione è detta catastrofe ultravioletta, per ovvi motivi, ma è certamente sbagliata perché non in accordo coi dati sperimentali.



baffi davvero imponenti, tra l'altro
Potete immaginare quale fosse il clima all'istituto in quei giorni: umore sottoterra. Anche questi due pezzi grossi avevano fallito nel descrivere matematicamente il comportamento del corpo nero. E se non ci riuscivano loro chi poteva riuscirci?

Chi se non un professore dell'Università di Berlino? Max Planck, che aveva seguito tutta la faccenda da vicino e se la rideva sotto ai baffi. Se la rideva perché aveva capito come risolvere il problema servendosi di un'ipotesi che lui stesso aveva formulato qualche anno prima. Il modello di Planck non era molto diverso da quello di Rayleigh-Jeans, anzi faceva le stesse previsioni, ma senza incappare nel problema della catastrofe ultravioletta. Il motivo per cui questo modello non era stato accettato in precedenza era l'ipotesi apparentemente assurda su cui esso si basava.

Un'ipotesi che avrebbe cambiato il mondo della fisica,

un'ipotesi che avrebbe cambiato il mondo,

un'ipotesi davvero semplice,

Quale ipotesi?

Non lo saprete prima del prossimo articolo!



Grazie per aver letto fin qui!

Giulio




Immagini tratte da:
historyofscience2012.blogspot.com
http://www.digitalnewschannel.com/approfondimenti/il-colore-nellera-digitale-409/cos-e-il-colore
www.evoluzioneolistica.it

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