Wat je broodrooster je over het universum kan vertellen

Vergeet de Large Hadron Collider of de quantumcomputer: de wetten van het universum openbaren zich in alledaagse zaken als koffie-vlekken of ketchupflessen. Moderne natuurkunde is heus niet alleen te begrijpen voor een select groepje specialisten met ingewikkelde apparatuur. Met de juiste gids zie je hoe de principes van de natuurkunde zich manifesteren in eigen huis, tuin en keuken. Wetenschapper en tv-presentator Helen Czerski legt daarom in Ober, er zit natuurkunde in mijn soep de mooiste ideeën uit de natuurkunde uit aan de hand van het dagelijks leven. Hier laat ze zien hoe het geheim van het universum zich openbaart in je broodrooster.

***

Op een grauwe, grijze, koude winterdag gaat er wat mij betreft niets boven warme toast. Het enige probleem is dat je even geduld moet hebben voor je ervan kunt genieten. Ik sta daarom vaak in de broodrooster te kijken wat er gebeurt. Het leuke van broodroosters is dat je kunt zien dat ze ergens mee bezig zijn, omdat de verwarmingselementen rood opgloeien. Ze verwarmen niet alleen de lucht die ze raakt, maar stralen ook lichtenergie uit. En deze gloed is een ingebouwde thermometer.

Je kunt aan de kleur van het element zien hoe heet het is. Het felle rood vertelt me dat het in mijn broodrooster 1000°C is. Dat is verschrikkelijk heet – warm genoeg om aluminium en zilver te laten smelten. Maar als het element die felrode kleur heeft, is het echt 1000°C. Dat staat vast, en dat komt door de manier waarop ons universum in elkaar zit. Alles wat die temperatuur heeft, zal dezelfde kleur rood uitzenden, en andere kleuren wijzen op andere temperaturen. Als je de binnenste kolen in een kolenvuur heldergeel ziet opgloeien, dan weet je dat ze ongeveer 2700°C zijn. Iets wat witheet is, is 4000°C of warmer. Maar eigenlijk is het maar raar. Waarom zou kleur iets te maken hebben met temperatuur?

Als ik in de broodrooster kijk, zie ik energie veranderen van warmte in licht. Een van de mooie dingen van het universum is dat alles met een temperatuur boven het absolute nulpunt voortdurend een deel van zijn energie omzet in lichtgolven. En licht moet zich voortplanten, dus de energie zoeft naar buiten, de omgeving in. Het roodgloeiende verwarmingselement zet een deel van zijn energie om in rode lichtgolven, golven met de langste golflengte in de regenboog. Maar de meeste energie die het uitzendt, heeft nog langere golflengtes, en die golven noemen we infrarood. Infrarood is precies hetzelfde als het licht dat we kunnen zien, alleen zijn de golven langer. We kunnen het slechts indirect waarnemen; we voelen de warmte op plaatsen waar het infrarood is geabsorbeerd.

Hoewel we infraroodgolven niet kunnen zien, zijn ze onmisbaar bij het roosteren van brood; zij verhitten de toast. Warme voorwerpen zenden op sommige golflengtes meer licht uit dan op andere. Bij elke temperatuur is er een piekgolflengte die het meeste licht voor zijn rekening neemt, en aan weerskanten van die piek neemt de hoeveelheid uitgezonden licht langzaam af. Bij de broodrooster ligt de piek bij het infrarood, en de staart van die piek is zichtbaar rood. Ik zie dus rood. Ik kan het licht dat mijn toast verhit niet zien, maar ik kan de staart van langere golflengtes zien. Als ik een superbroodrooster had die nog heter kon worden, zo’n 2500°C bijvoorbeeld, dan zouden de verwarmingselementen er geel uitzien. Het hetere voorwerp zou licht met kortere golflengtes uitzenden, zodat de zichtbare staart een groter deel van de regenboog zou bevatten: rood, oranje, geel en een klein beetje groen.

Als we rood en groen licht tegelijk zien, interpreteren we dat als geel. Alleen iets wat deze temperatuur heeft, zou dit exacte deel van de regenboog uitzenden. Als de temperatuur nog hoger werd – als ik een hyperbroodrooster had die 4000°C kon halen – zou het uitgezonden licht de hele regenboog bevatten, helemaal tot aan blauw. En wanneer we alle kleuren van de regenboog tegelijk zien, zien we wit. Dus iets wat witheet is, zendt eigenlijk een regenboog uit, maar alle kleuren zijn met elkaar vermengd. Die hyperbroodrooster heeft als nadeel dat hij zou smelten, ongeacht waar hij van was gemaakt. Maar je toast zou wel heel snel bruin worden. En je keuken waarschijnlijk ook.
***
Wil je meer natuurkunde-geheimen in je eigen huis, tuin of keuken ontrafelen? Lees dan Ober er zit natuurkunde in mijn soep!