La radiación de cuerpo negro puede sonar oscura y trivial, pero los experimentos con radiación de cuerpo negro son una de las cosas que llevaron al desarrollo de la mecánica cuántica. Entonces sí, es un gran problema.
Prefacio: Soy un estudiante universitario que toma una clase de Química Física, y esta es mi mejor oportunidad para responder esta pregunta:
En primer lugar, voy a definir una cavidad de cuerpo negro. Piense en esto como una caja vacía con un agujero muy pequeño. Esta caja está rodeada por un baño termal para mantenerla a una temperatura constante T. Esta cavidad tiene algo dentro (a nosotros, o más precisamente, la termodinámica, realmente no nos importa qué). Lo importante es que este sistema es un emisor ideal . ¿A qué nos referimos con eso? Bueno, cuando calentamos lo que sea que esté en nuestra cavidad del cuerpo negro, va a emitir radiación (ondas en la radiación electromagnética. Como se señaló, la radiación no solo incluye luz visible). (Este es el mismo principio en el trabajo cuando calienta metal, y primero se vuelve rojo, y luego, si realmente sube la temperatura, se vuelve blanco.) De todos modos, un emisor ideal permite un equilibrio térmico entre la radiación y su entorno (en este caso, las paredes de la cavidad del cuerpo negro).
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De acuerdo, genial. ¿Por qué nos importa esto? Bueno, en realidad no. Pero nos importa la radiación que está dentro de la cavidad del cuerpo negro. Ahí es donde entra el orificio. Una parte muy pequeña de la radiación sale del orificio y va a un espectrómetro, que es básicamente como caracterizamos nuestra radiación.
Entonces, ¿qué tiene de especial esta radiación? Bueno, nos importa algo llamado densidad de energía espectral . La densidad de energía regular es un concepto bastante simple, ¿verdad? Es energía por unidad de volumen. La densidad de energía espectral es energía / unidad de volumen / unidad de frecuencia o energía / unidad de volumen / unidad de longitud de onda.
Y esto es lo que se pone realmente emocionante. Espera, pero primero, hablemos sobre cómo la mecánica clásica imagina las cosas:
En la pared de la cavidad de su cuerpo negro, tiene electrones unidos a los resortes (suena tonto, pero hizo un buen trabajo al explicar muchas cosas). Llamemos a este sistema de resorte electrónico un oscilador. Tenemos osciladores con todas las frecuencias características diferentes. A temperaturas suficientemente altas, estos osciladores se excitan. ¿Cómo se ve un oscilador excitado? Piense en todos esos electrones que rebotan de un lado a otro en sus resortes: eso crea un campo eléctrico oscilante y un campo magnético complementario, que son palabras más complejas para la radiación electromagnética, o luz.
De acuerdo, hasta ahora todo bien. Pero ahora, utilizando esta teoría, la mecánica clásica escupe una expresión para la densidad de energía espectral de longitud de onda que a veces hace un trabajo bastante bueno, pero enloquece cuando llegas a longitudes de onda cortas. Para longitudes de onda cortas, esta expresión tiene la densidad de energía espectral que va al infinito . Eso es malo. Eso significa que, incluso a temperatura ambiente, los osciladores con longitudes de onda muy cortas estarán muy excitados. Longitudes de onda cortas = alta frecuencia, como la radiación UV. Entonces, básicamente, tenemos la catástrofe ultravioleta (sí, es así de dramática). Básicamente, la teoría mecánica clásica predice que la radiación UV debería estar en todas partes.
Pero la teoría clásica es obviamente errónea . El mensaje final es el siguiente: el hecho de que la CM (mecánica clásica) no explique la radiación del cuerpo negro es una de las cosas que condujo al desarrollo de la Mecánica Cuántica (QM), que representa uno de los dos trastornos más importantes de la ciencia al principio del siglo 20 (el otro era la relatividad especial).
