في عالم الفيزياء، هناك ظواهر تلعب دورًا محوريًا في تفسير كيفية تفاعل المادة والطاقة، من بين هذه الظواهر يأتي “إشعاع الجسم الأسود”، الذي طالما أثار اهتمام العلماء والباحثين، وشكل قاعدة لفهم سلوك الأجسام الساخنة وحتى نشأة الكون.
ما هو الجسم الأسود؟
الجسم الأسود هو مفهوم نظري فيزيائي يُقصد به جسم مثالي لا يعكس أي إشعاع يسقط عليه، بل يمتصه بالكامل دون استثناء، وفي المقابل، عندما يسخن هذا الجسم، يبدأ في إصدار إشعاع كهرومغناطيسي يغطي جميع الأطوال الموجية، وفقًا لدرجة حرارته، هذه الخاصية الفريدة جعلت منه نموذجًا رئيسيًا لدراسة الإشعاعات الحرارية.
القوانين التي تحكم إشعاع الجسم الأسود
لفهم طبيعة إشعاع الجسم الأسود بشكل أعمق، طوّر العلماء عدة قوانين رياضية تصف سلوكه بدقة:
• قانون بلانك: وهو حجر الأساس لفهم الكثافة الطيفية للإشعاع المنبعث عند طول موجي معين ودرجة حرارة محددة. هذا القانون قدمه الفيزيائي الألماني ماكس بلانك عام 1900، ليشكل لاحقًا نقطة الانطلاق نحو ظهور ميكانيكا الكم.
• قانون إزاحة فين: من خلال هذا القانون، تبين أن الطول الموجي الذي تبلغ عنده شدة الإشعاع ذروتها يتناقص كلما ارتفعت درجة حرارة الجسم. بمعنى آخر، الأجسام الساخنة تشع بأطوال موجية أقصر.
• قانون ستيفان – بولتزمان: يربط هذا القانون بين إجمالي الطاقة المشعة من الجسم ودرجة حرارته المطلقة، موضحًا أن الطاقة المنبعثة تزداد بشكل كبير مع ارتفاع الحرارة.
ظاهرة تراها في السماء… ونجومك خير مثال
من الناحية التطبيقية، يمكن مشاهدة أثر إشعاع الجسم الأسود في الأجرام السماوية مثل النجوم، فعلى الرغم من أن النجوم ليست أجسامًا سوداء مثالية، فإن منحنيات انبعاثها الطيفية تشبه إلى حد بعيد ما يتوقعه العلماء من جسم أسود عند درجات حرارة مرتفعة. وباستخدام تلك المنحنيات، يستطيع الفلكيون تحديد درجة حرارة سطح النجم بدقة معقولة، بمجرد معرفة الطول الموجي الذي يبلغ عنده الإشعاع ذروته.
إشعاع الخلفية الكونية… بقايا من طفولة الكون
واحدة من أبرز الشواهد على أهمية مفهوم الجسم الأسود في علم الفلك جاءت في عام 1965، عندما اكتشف العالمان “بينزياس” و”ويلسون” إشعاع الخلفية الكونية الميكروي (CMBR)، كان هذا الاكتشاف بمثابة دليل قوي على أن الكون كان يومًا ما أكثر حرارة وكثافة، وأنه منذ أكثر من 13.7 مليار سنة، بدأ في التمدد والتبريد.
لاحقًا، ومع إطلاق القمر الصناعي الأمريكي “COBE”، أظهرت القياسات الطيفية للإشعاع الكوني تطابقًا مذهلًا مع منحنى إشعاع الجسم الأسود عند درجة حرارة 2.725 كلفن، والأمر لم يتوقف عند ذلك فمهمة “WMAP” الفضائية جاءت لتقدم قياسات أكثر دقة، كاشفة عن تفاوتات طفيفة في درجات الحرارة، اعتبرها العلماء بداية لتشكل البنية الكونية واسعة النطاق التي نشاهدها اليوم.
ختامًا..
رغم كونه مفهومًا نظريًا، إلا أن “الجسم الأسود” لم يبقَ حبيس المعادلات. بل تحول إلى أداة علمية قوية تفسر لنا كيف تشع الأجسام حولنا، وكيف تطورت حرارة الكون منذ لحظة ميلاده وحتى يومنا هذا.
