تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

ما هو الجسم الأسود (black-body)؟

الجسم الأسود هو جسمٌ مثاليٌّ يمتصُّ كل الإشعاع الكهرومغناطيسي الساقط عليه، فهو الكائن الذي يمتصُّ كل الضوء المرئي بكل ألوانه وأطواله المَوجية (Wavelength)، ويظهر باللون الأسود مجازاً، فالأسود فيزيائياً ليس لوناً بحدِّ ذاته إنما نستطيع أن نقول عن الجسم الذي يمتصُّ كل الألوان بأنه ذو لونٍ أسود، فمن المعروف فيزيائياً أن أي جسمٍ يمتصُّ الطاقة سوف يسخن وتزداد حرارته عندئذٍ يكون للجسم فرصةً لإشعاع وإصدار جزءٍ من تلك الطاقة المُمْتصة إذاً الجسم الأسود لا يمتصُّ الطاقة فحسب، بل يُشعُّها أيضاً.

كمثالٍ بسيطٍ على ذلك ملفُّ التسخين (السخان الكهربائي) حيث نرى أن جزءاً من الملف يظهر باللون (أحمر غامق)، وهذا يدلُّ على أن هذا الجزء من الملف ساخنٌ جداً، بينما بعض الأجزاء الأخرى من الملف ليست ساخنةً، وتظهر باللون الأحمر الباهت أي مع تسخين الملف يتغير الطول المَوجي، وبالتالي يتغير اللون، وملفُّ التسخين هذا هو تقريبٌ جيدٌ لجسم أسود.

بتشبيه آخر يمكننا اعتبار الجسم الأسود مثل: صندوقٍ مغلقٍ مجوَّف له فتحةٌ صغيرة يدخل منها الضوء بحيث الضوء الذي يدخل إلى تجويفه ينعكس ضمن جدرانه دون أن يغادره، ويفقد هذا الضوء طاقته جزئياً عند كل انعكاس داخل الصندوق، ويعمل امتصاص الطاقة هذا على تسخين الصندوق، والذي بدوره يبدأ في إصدار طاقةٍ على شكل إشعاعٍ متناسبٍ مع درجة حرارته، وبالتالي يأخذ ألواناً مختلفةً بحسب حرارته.

ما هو منحني بلانك (Planck Curve)؟

عند الأخذ في الاعتبار أن العديد من الأطوال المَوجية للضوء غير مرئيةٍ لأعيننا يمكننا رسم منحنٍ بيانيٍّ يوضّح كيف ينبعث الضوء من الأجسام السوداء في درجات حرارةٍ مختلفة يُدعى بمُنحني بلانك نسبةً إلى العالم الألماني ماكس بلانك.

يوضّح هذا الرسم البياني لجسمٍ أسود حيث الكثافة، الشدّة، الضوئية (Intensity) على المحور الشاقولي، وطول الموجة على المحور الأفقي. المُنحنيات الأربعة المرسومة مُخصصةٌ للأجسام السوداء التي تمَّ تسخينها إلى درجات حرارةٍ تبلغ 3000، 4000، 5000، 6000 كلفن علماً أن 0 مئوي يساوي 273 كلفن، ونلاحظ أنه حتى درجة حرارة تبلغ حوالي 5000 كلفن، فإن ذروة الطول المَوجي للضوء المرئي المُنبعِث من الجسم الأسود تبدو حمراء. بينما في درجات الحرارة المرتفعة التي تتخطّى 5000 كلفن سيتغير اللون الملحوظ للجسم الأسود، ويشير الرسم البياني إلى أن الطريقة التي يُشِعُّ بها الجسم الأسود الطاقة تعتمد على درجة حرارته. ^[1]

ما هو قانون رايلي جينز (Rayleigh-Jeans)؟

قانون رايلي جينز وُضع ليربط بين طاقة الإشعاع E المُنبعِث من الجسم الأسود بالتردد F التواتر (Frequency) عند درجة حرارةٍ معينة. نظرًا لأن إشعاع الجسم الأسود ينبعث من موجاتٍ ذات طاقةٍ ثابتة في الصندوق الافتراضي فقد تنبَّأ قانون رايلي جينز أنه مع زيادة تردد الإشعاع تزداد الطاقة المُنبعِثة، ولوحظ أنه عند الترددات المنخفضة تُطابق هذه المعادلة النتائج التجريبية. ^[2]

ما هي كارثة الأشعة فوق البنفسجية (Ultraviolet Catastrophe)؟

تتوقع نظرية رايلي جينز بأن طاقة الإشعاع E المُنبعِث من جسمٍ أسود تزداد مع زيادة التردد F أو نقصان طول الموجة λ فلوحظ أنه عند الترددات المنخفضة تُطابق هذه المعادلة النتائج التجريبية، ولكن عند الترددات العالية لم يتحقق ذلك. بعبارةٍ أخرى عندما يقلُّ الطول الموجي للضوء المُنبعِث يقترب من نطاق الأشعة فوق البنفسجية تقترب شدة الإشعاع من اللانهاية (رياضياً)، وبالتالي يُصدر الجسم الأسود كميةً لا حصر لها من الطاقة، ويسمّى هذا الاختلاف في الطول المَوجي المنخفض بكارثة الأشعة فوق البنفسجية باختصار كارثة الأشعة فوق البنفسجية هي الخطأ في الأطوال المَوجية القصيرة في قانون رايلي جينز. ^[3]

ما هي علاقة النجوم بالجسم الأسود؟

تتصرف النجوم مثل الأجسام السوداء، وهذا المفهوم يُفسّر سبب وجود ألوانٍ مختلفةٍ للنجوم. فالنجوم الحمراء أكثر برودةً من غيرها، وتصدر معظم الإشعاع في الأطوال المَوجية الحمراء بينما النجوم الأكثر سخونةً مثل شمسنا تُصدر معظم الإشعاع في الجزء الأصفر أو الأخضر من الطيف (Spectrum). ولا نرى أي نجومٍ خضراء لأن النجوم ذات الأطوال المَوجية القريبة من اللون الأخضر تنبعث منها أيضاً الكثير من الإشعاعات في الجزء الأحمر والأزرق من الطيف، وتجمع أعيننا كل هذه الألوان فنرى اللون الأبيض في هذه الحالة.

حتى النجوم الأكثر سخونةً تُصدر معظم الإشعاع في الجزء الأزرق، أو فوق البنفسجي (Ultraviolet)، أو حتى الأشعة السينية (X-ray)، وأشعة جاما (Gamma ray) من الطيف، فتبدو الأشياء مثل هذه زرقاء لأعيننا. بينما تُصدر الأجسام الأكثر برودةً مثل الكواكب والبشر أشعةً في مجال الأشعة تحت الحمراء (Infrared)، والأشياء الأكثر برودةً تُصدر موجات ميكروويف (Microwaves)، وموجات راديوية (Radio waves). يوضّح الرسم البياني في الأسفل مُنحنيات بلانك للجسم الأسود لانفجار أشعة جاما، والشمس، والقزم البني (Brown dwarf). ^[4]