در اواخر قرن نوزدهم، فیزیک کلاسیک که برای دهه‌ها توانسته بود بسیاری از پدیده‌های طبیعی را توضیح دهد، با چالشی بزرگ روبرو شد: تابش جسم سیاه. این تابش زمانی رخ می‌دهد که به یک جسم گرما داده شود و جسم شروع به گسیل انرژی الکترومغناطیسی کند. این پدیده به شکل پیوسته‌ای از فروسرخ تا فرابنفش گسترش می‌یافت، اما هیچ‌یک از نظریه‌های موجود قادر به توصیف دقیق این رفتار نبودند. تلاش‌های متعدد دانشمندان برای توضیح این پدیده، از جمله استفاده از ترمودینامیک کلاسیک و نظریه الکترومغناطیس، به شکست انجامید. این ناکامی‌ها نهایتاً نشان دادند که قوانین فیزیک کلاسیک نمی‌توانند درک کاملی از این پدیده ارائه دهند.
مفهوم جسم سیاه
یک جسم سیاه ایده‌آل به عنوان گسیل‌کننده و جذب‌کننده کامل تابش تعریف می‌شود. این جسم، تمامی تابش دریافتی را جذب می‌کند و در دماهای بالا، نوری با توزیع انرژی خاص گسیل می‌کند. آزمایش‌های متعدد در نیمه دوم قرن نوزدهم نشان دادند که طیف گسیل‌شده از جسم سیاه به دمای آن وابسته است و از قوانین ترمودینامیکی پیروی می‌کند، اما مشخصات دقیق این طیف تنها از طریق تجربه قابل بررسی بود.
قانون استفان-بولتزمن و قانون جابجایی وین
دانشمندانی مانند گوستاو کیرشهوف، جی. استفان، و ویلهلم وین تلاش کردند تا این رفتار را توصیف کنند. قانون استفان-بولتزمن نشان داد که توان تابشی کل جسم سیاه به شدت با افزایش دما افزایش می‌یابد. از سوی دیگر، وین رابطه‌ای برای جابجایی بسامد تابش بیشینه با دما ارائه داد. با این حال، این قوانین نیز نتوانستند همه ابعاد رفتار تابش جسم سیاه را توضیح دهند و در برخی بسامدها، ناتوانی‌شان آشکار بود.
شکست کلاسیک و آغاز تغییر
یکی از تلاش‌های کلاسیک برای توضیح این پدیده، فرمول ریلی-جینز بود. این فرمول پیش‌بینی می‌کرد که چگالی انرژی تابش به طور بی‌نهایت در بسامدهای بالا افزایش یابد؛ پدیده‌ای که به نام فاجعه فرابنفش شناخته شد. این نتیجه بیمعنی بود و به وضوح نشان داد که مدل‌های کلاسیک دیگر پاسخگو نیستند.
ورود ماکس پلانک
ماکس پلانک، دانشمند برجسته آلمانی، در سال 1900 راه‌حلی انقلابی ارائه داد. او فرض کرد که انرژی تابشی تنها به صورت بسته‌های کوچک و گسسته‌ای، به نام کوانتا، مبادله می‌شود. این فرضیه که با عنوان قاعده کوانتش پلانک شناخته می‌شود، موفق شد همخوانی دقیقی با داده‌های تجربی تابش جسم سیاه ارائه دهد و راه‌حلی برای فاجعه فرابنفش باشد. این ایده ساده اما انقلابی، نقطه آغاز تحولی بزرگ در علم فیزیک بود.
پیامدها و آغاز عصر جدید
معرفی ثابت پلانک نه تنها مشکل تابش جسم سیاه را حل کرد، بلکه راه را برای فیزیک کوانتومی هموار ساخت. این کشف نه تنها پایان عصر فیزیک کلاسیک، بلکه آغاز دوره‌ای نو در درک ما از طبیعت بود. دانشمندانی مانند انیشتین، کامپتون، دوبروی و بور با الهام از کار پلانک، این ایده‌ها را به کار گرفتند تا مسائل دیگری را که سال‌ها بی‌پاسخ مانده بودند، حل کنند. این آغاز داستان کوانتوم است، جایی که علم از محدودیت‌های کلاسیک فراتر رفت و پنجره‌ای جدید به دنیای زیراتمی گشود.
مطالب مرتبط:
- پادکست: تولد کوانتوم
- مقاله مرتبط: توصیف کوانتومی تابش جسم سیاه توسط پلانک
