Absolutno črno telo in njegovo sevanje

Absolutno črno telo se imenuje tako, ker absorbira ves sevalni dogodek na njem (ali bolje, vanj), tako v vidnem spektru kot zunaj njega. Ampak, če se telo ne segreje, se energija ponovi. To sevanje, ki ga oddaja absolutno črno telo, je še posebej zanimivo. Prvi poskusi preučevanja njegovih lastnosti so bili izvedeni pred pojavom samega modela.

V začetku 19. stoletja je John Leslie izvajal eksperimente z različnimi snovmi. Kot se je izkazalo, črna čaplja ne absorbira vse vidne svetlobe, ki jo pade na njo. Izhajajoč iz infrardečega območja je veliko močnejši od drugih, lažjih snovi. To je bilo toplotno sevanje, ki se razlikuje od vseh drugih vrst v več lastnostih. Sevanje absolutno črnega telesa je ravnovesno, homogeno, se zgodi brez prenosa energije in je odvisno samo od telesne temperature. Pri dovolj visoki temperaturi objekta postane vidno termično sevanje , nato pa vsako telo, vključno z absolutno črno, pridobi barvo.

Tak edinstven objekt, ki oddaja le določeno energijo, ni mogel pritegniti pozornosti. Ker govorimo o termičnem sevanju, so bile v okviru termodinamike predlagane prve formule in teorije o tem, kako bi bilo videti spekter. Klasična termodinamika je lahko določila, na kateri valovni dolžini naj bi bil obseg sevanja pri določeni temperaturi, v kateri smeri in koliko se bo premikalo s segrevanjem in hlajenjem. Vendar ni bilo mogoče predvideti, kaj je porazdelitev energije v spektru absolutno črnega telesa pri vseh valovnih dolžinah in še posebej v ultravijoličnem razponu.

Glede na zamisli klasične termodinamike lahko energijo izžareva kateri koli del, vključno s poljubno majhnimi. Toda za absolutno črno telo, ki se oddaja pri kratkih valovnih dolžinah, mora biti energija nekaterih njegovih delcev zelo velika, v regiji ultrahortalnih valov pa bi šla do neskončnosti. V resnici je to nemogoče, neskončnost se pojavlja v enačbah in se je imenovala ultravijolična katastrofa. Le Planckovo teorijo, da lahko energijo sevajo diskretni deli - kvanti - je pripomogla k rešitvi te težave. Današnje enačbe termodinamike so posebni primeri enačb kvantne fizike.

Prvotno črno telo je bilo predstavljeno kot votlina z ozko luknjo. Sevanje od zunaj vstopi v to votlino in jo absorbira stena. Na spektru sevanja, ki mora imeti absolutno črno telo, je podoben obseg sevanja od vhoda v jamo, luknje v vodnjaku, okna v temno sobo v sončnem dnevu itd. Najpomembneje pa so spektri relikvijskega sevanja vesolja in zvezd, vključno s Soncem.

Z gotovostjo lahko rečemo, da bo več delcev v danem objektu, ki ima različne energije, močnejše njegovo sevanje podobno sevanju črnega telesa. Krivulja porazdelitve energije v spektru absolutno črnega telesa odraža statistične zakonitosti v sistemu teh delcev, pri čemer je edina korekcija, da je energija, prenesena med interakcijami, diskretna.