Rispondere in maniera dettagliata a questa domanda richiederebbe l’uso massiccio delle tecniche di meccanica statistica, per cui ci dovremo accontentare di una spiegazione qualitaiva.
Nel corpo nero si formano onde elettromagnetiche stazionarie che detengono tutta l’energia elettromagnetica introdotta nella cavità. Le frequenze permesse sono infinite e sono tutte quelle che hanno come periodo un sottomultiplo del lato del contenitore. In fisica classica non c’è motivo per cui un’onda stazionaria di una certa frequenza non si debba creare, per cui si ottiene che ogni onda contiene lo stesso quantitativo di energia. Ma essendo queste onde in numero infinito si possono ottenere solo due possibili situazioni, entrambe paradossali:
- se si impone che l’energia totale sia finita allora ogni onda ne contiene zero (una quantità finita divisa in infinite parti da zero);
- se imponiamo che ogni onda possegga una porzione finita di energia allora l’energia totale diventa infinita (catastrofe ultravioletta).
In fisica quantistica il problema è risolto dal fatto che ogni onda può esistere solo se si può creare almeno un quanto, un fotone di quella frequenza, la cui energia è data dall’equazione E=hf. Questo vuol dire che ogni onda ha una diversa probabilità di formarsi, e quanto più si alza la frequenza tanto più diminuisce la probabilità di formazione. Oltre un certo valore della frequenza l’energia necessaria a formare un quanto diventa più alta di quella disponibile e quindi l’onda non si può creare. Per cui, una volta ammessa la discretizzazione dell’energia e assunta l’esistenza di un’energia minima per ogni frequenza, allora l’energia non si distribuisce più in maniera uniforme tra le onde ma maggiormente in alcune che in altre. In questo modo ci sono solo alcune onde, in numero finito, che si dividono l’energia disponibile e non si cade in nessun paradosso.