 |
 |
 |
De zomer dient zich weer aan, en we kunnen weer genieten van heerlijke temperaturen. Toch staan veel mensen niet stil bij wat temperatuur eigenlijk is. Hoe kijkt de wetenschap aan tegen warmte en kou, anders dan het verschil tussen zweten en klappertanden? Ik heb al een essay geschreven over thermodynamica, waarin ik twee vormen van energie heb behandeld, namelijk werk en warmte, maar vandaag wil ik een ander perspectief op dat laatste bieden.
Warmte is niet iets tastbaars, maar dat werd wel heel lang gedacht. In de late zeventiende eeuw werd aangenomen dat warmte een stofje was, phlogiston geheten. Als je iets verbrandde, ontsnapte het ingevangen phlogiston, en dat was de warmte die vrijkwam. Echter, door verbranding wordt materie zwaarder, wat suggereerde dat phlogiston negatieve massa moest hebben, en dat was, ook toen, toch wel een dingetje. Dit probleem werd opgelost door Lavoisier in de achttiende eeuw. Warmte zou een “subtiele vloeistof” zijn, die toepasselijk calorique genoemd werd. Dit goedje zou dwars door materie heen van warme naar koude plekken “stromen”. Ondertussen was ook zuurstof ontdekt, wat gewichtstoename bij verbranding verklaarde. Dit loste de problemen rond phlogiston op … of toch niet?
Wonderlijke substanties zoals calorique zie je wel vaker komen en gaan in de natuurkunde. Zo kwam er pas een eeuw geleden een einde aan het idee van de ether, een overal aanwezige substantie waardoor licht- of radiogolven zich voort zouden bewegen, maar die helemaal niet bleek te bestaan. Moderne varianten zijn ongrijpbare donkere materie en donkere energie die volgens astronomen de structuur van het universum helpen verklaren – bestaat dat nu echt, of schiet onze kennis weer eens tekort? De tijd zal het leren.
Wat is warmte dan wel volgens de moderne inzichten? Daarvoor moeten we met onze microscoop ver inzoomen op materie. Je weet vast wel dat alles wat je ziet, bestaat uit bouwsteentjes zoals moleculen en atomen. Hoe warmer materie wordt, hoe intensiever die bouwsteentjes bewegen. Temperatuur is een maat voor die bewegings-energie. Wanneer snelle "hete" deeltjes botsen op langzame "koude" deeltjes wisselen ze energie uit. Zo koelen hete deeltjes af en warmen koude deeltjes op totdat alle bewegings-energie gelijkelijk verdeeld is en je lauwe soep overhoudt.
Laten we nog paar wetenswaardigheden over warmte bespreken. Kun je iets bijvoorbeeld zó ver afkoelen dat er helemaal niets meer beweegt, naar een temperatuur nul zogezegd? Dat absolute nulpunt (273,15 °C onder het vriespunt) blijkt praktisch onbereikbaar, en deze onmogelijkheid is een fundamentele wet in de natuurkunde.
Voorwerpen geven warmte-straling af als licht. Iets gaat van roodgloeiend naar witheet door het steeds verder te verwarmen, en warme dingen voel je op afstand gloeien door infra-rood licht. Denk aan een avondwandeling na een zinderende zomerdag, waarna je muren en asfalt nog voelt gloeien. Als iets echt gloeiend heet wordt, kun je daadwerkelijk zien hoe het van roodgloeiend naar witgloeiend verandert, gewoon door het steeds verder te verwarmen.
Dat argument werkt ook de andere kant op. Je hebt wel eens van zwarte gaten in het heelal gehoord – ingestorte sterren die onverbiddelijk alles opzuigen, ook licht. Toch geven zelfs die een heel klein beetje straling af en zijn dus niet helemaal zwart, zo ontdekte Hawking. Maar als het gat straling afgeeft heeft het ook een temperatuur, heel dicht bij het absolute nulpunt, maar ook hier dus niet nul.
Een ander aspect van warmtestraling is dat ook een theoretisch perfect zwart, ondoorzichtig, niet-reflecterend voorwerp licht uitstraalt omdat het object een temperatuur heeft. Dit licht heet dan zwarte straling. Als je een lichtdichte doos zou bouwen met zwarte binnenwanden, zou een speldeprik in die doos zwarte straling afgeven. Wetenschappers hebben lang gewerkt aan een theorie over hoe die straling varieert met golflengte en temperatuur.
Aan het begin van de twintigste eeuw lukte het een jonge Planck om het vraagstuk op te lossen. Hij moest echter een radicale aanname doen, namelijk dat de energie van zwarte straling een geheel veelvoud zou zijn van een minuscule basishoeveelheid. Energie zou als het ware gekwantiseerd zijn, maar omdat die basishoeveelheid bijzonder klein is, valt die discretisatie niet op in de macroscopische wereld. Die aanname, beste lezer, leidde uiteindelijk tot de quantummechanica, maar dat is weer een heel ander verhaal.
Met deze filosofische gedachten in het achterhoofd, ga ik me voorbereiden op de komende strandbarbecues - allen een fijne, warme zomer gewenst!
