Absolútne čierne teleso pohlcuje bezo zvyšku všetko žiarenie, ktoré naň dopadne. Takéto teleso je, samozrejme, iba teoretickou fikciou. Žiarenie absolútne čierneho telesa je však úplne reálna vec. Takéto žiarenie, napríklad, vypĺňa celý vesmír.
.medzi zaujímavé vlastnosti tohto žiarenia patrí okrem iného aj to, ako usilovne produkuje Nobelove ceny. Prvú v roku 1918, druhú o šesťdesiat rokov neskôr, tretiu v roku 2006 a štvrtá bude udelená v blízkej budúcnosti, možno už na budúci rok. Niet sa ani veľmi čo čudovať, žiarenie absolútne čierneho telesa už niekoľkokrát úplne zásadným spôsobom zmenilo náš pohľad na prírodné vedy. A to v takých odlišných oblastiach, ako sú na jednej strane atómová a jadrová fyzika a na druhej strane vznik a vývoj vesmíru.
Pojem absolútne čierneho telesa, alebo skrátene len čierneho telesa, zaviedol do fyziky pred 150 rokmi Gustav Kirchhoff pri výskume tepelného žiarenia. Čo je vlastne tepelné žiarenie? Je to elektromagnetické žiarenie, ktoré pri ľubovoľnej teplote vyžarujú telesá, kvapaliny alebo plyny.
Prostredníctvom tohto žiarenia prichádza k vyrovnávaniu teplôt aj v prípade, že látky sa navzájom nedotýkajú. Každá látka totiž okrem vysielania vlastného žiarenia aj pohlcuje žiarenie vysielané inými látkami. Teplejšie veci pritom vyžarujú viac než pohlcujú, a preto postupne chladnú. So studenšími je to naopak, a takto to prebieha dovtedy, kým sa teploty nevyrovnajú.
Kirchhoffa zaujímalo, ako vyzerá žiarenie v konečnom stave s vyrovnanými teplotami. A prišiel na zaujímavú vec: výsledné žiarenie vôbec nezávisí od špecifických vlastností jednotlivých látok, ktoré sú v tepelnej rovnováhe. Ak zo systému nijaké žiarenie neuniká (čiže ak je systém, povedzme, ohraničený nejakými stenami) potom jediná vec, od ktorej výsledné žiarenie závisí, je teplota celého systému.
No ale, ak je rovnovážne tepelné žiarenie nezávislé od vlastností telies, potom si môžeme pre svoje úvahy zvoliť také telesá, aké len chceme. Kirchhoff si zvolil práve absolútne čierne telesá, pretože taký výber viedol k zjednodušeniu mnohých jeho úvah (poznámka pre pochybovačov: aj čierne veci môžu žiariť, ako príklad uveďme čiernu pec rozpálenú do červena). Telesá to síce boli hypotetické, ale ich žiarenie bolo celkom reálne – rovnaké ako žiarenie ľubovoľných realistických telies pri rovnakej teplote.
.devätnáste storočie
Prvá fáza triumfálneho pochodu žiarenia čierneho telesa fyzikou prebiehala v rámci optiky, termodynamiky a elektrodynamiky. Experimentálni fyzici sa snažili optickými metódami zistiť, aké je spektrálne zloženie takéhoto žiarenia. Teoretickí fyzici sa snažili toto spektrum vypočítať pomocou teórie elektromagnetických polí a termodynamiky. Jedno aj druhé úsilie prinieslo pozoruhodné výsledky. A najpozoruhodnejšie bolo, že tieto výsledky si navzájom odporovali.
Mnohé rozpory medzi teóriou a experimentom majú len krátky život. Pri podrobnejšej analýze sa totiž často nájde nejaká chyba – či už na strane experimentátorov, alebo teoretikov – a po odstránení tejto chyby sa veci uvedú do rozumného súladu. Žiarenie čierneho telesa však nebol tento prípad. A tak sa stalo, že vo svojej slávnej prednáške pred britskou Kráľovskou spoločnosťou na samom sklonku 19. storočia hovoril lord Kelvin o krásnych a jasných teóriách tepla a svetla, ktoré sú však zatienené dvoma oblakmi. Jedným z nich bolo žiarenie čierneho telesa a druhým takzvaný Michelsonov- Morleyho experiment.
Netrvalo dlho a z týchto dvoch oblakov zahrmelo a zapršalo. Búrka to teda bola riadna, jej výsledkom boli dve najväčšie revolúcie v dejinách fyziky. A úroda, ktorú tento dážď umožnil, bola naozaj bohatá.
.dvadsiate storočie
V roku 1901vyšiel v časopise Annalen der Physik článok, v ktorom Max Planck navrhol jednu možnosť odstránenia rozporov medzi teóriou a experimentom v prípade žiarenia čierneho telesa. Išlo však o veľmi podozrivú možnosť – Planck musel predpokladať niečo, čo celkom odporovalo celej dovtedajšej fyzike (poznámka pre znalcov: išlo o predpoklad priamej úmernosti energie a frekvencie harmonického oscilátora).
Akokoľvek podozrivá, Planckova hypotéza sa nakoniec ukázala správna. A znamenala prvý krok ku kvantovej mechanike, veľmi zvláštnej a veľmi úspešnej teórii javov na úrovni atómov a molekúl. Druhým krokom na ceste k tejto teórii bol iný článok v Annalen der Physik – v roku 1905 v ňom Albert Einstein významne rozvinul Planckovu hypotézu a vysvetlil tak dovtedy záhadný fotoelektrický jav. V tom istom roku vyšiel v tom istom časopise od toho istého autora ďalší článok, v ktorom sa z druhého Kelvinovho oblaku, t. j. z Michelsonov-Morleyho experimentu, zrodila špeciálna teória relativity.
Fyziku 20. storočia možno od tejto chvíle vnímať ako symfóniu, v ktorej dominujú dve Einsteinove témy z roku 1905. V prvej vete tejto symfónie bola rozvinutá predovšetkým relativistická téma a jej vyvrcholením bola všeobecná teória relativity. V druhej vete sa zas rozvíjala hlavne kvantová téma a jej vyvrcholením bol vznik kvantovej mechaniky. V tretej vete sa tieto dve témy spojili prekvapujúco harmonickým spôsobom.
Najprv sa spojila špeciálna teória relativity s kvantovou mechanikou v teórii elementárnych častíc. Všeobecná teória relativity medzitým dospela k teórii Big Bangu a pri opise raných štádií vesmíru sa potom do určitej miery spojila s teóriou elementárnych častíc. Jedným z výsledkov tohto spojenia bola predpoveď existencie všadeprítomného žiarenia pochádzajúceho z doby, keď mal vesmír len asi štyristotisíc rokov.
Toto žiarenie (hovorí sa mu reliktné žiarenie alebo žiarenie kozmického pozadia) malo mať charakter žiarenia čierneho telesa. Nijaké také teleso sa síce v ranom vesmíre nevyskytovalo, ale vyskytoval sa tam horúci plyn nabitých častíc v tepelnej rovnováhe s elektromagnetickým žiarením. A ako vieme už od Kirchhoffových čias, žiarenie čohokoľvek v tepelnej rovnováhe je rovnaké ako žiarenie čierneho telesa.
V šesťdesiatych rokoch objavili presne také žiarenie Arno Penzias a Robert Wilson a práve ich objav spôsobil definitívny príklon väčšiny kozmológov k teórii Big Bangu. V roku 1978 získali spomínaní páni druhú Nobelovu cenu za žiarenie čierneho telesa (prvú získal v roku 1918 Max Planck).
Tretia sa ušla pred dvoma rokmi Johnovi Matterovi a Georgeovi Smootovi. Išlo vlastne o Nobelovu cenu pre satelit COBE, ktorého misia v deväťdesiatych rokoch spočívala v mimoriadne presných meraniach charakteru tohto žiarenia. Výsledky z COBE pritom nepriniesli až tak veľa nového. Ich hlavný význam bol dvojaký. Po prvé potvrdili, že spomínané kozmické žiarenie má naozaj charakter žiarenia čierneho telesa (a tým odstránili pochybnosti, ktoré vznikli na základe niektorých predchádzajúcich meraní). A po druhé ukázali, že detailným a veľmi presným meraním reliktného žiarenia prichádzajúceho z rôznych smerov sa môžeme o vesmíre dozvedieť neuveriteľné podrobnosti. Na zistenie týchto podrobností však presnosť meraní prístrojov na satelite COBE nepostačovala.
.dvadsiate prvé storočie
To však ešte nie je koniec príbehu. V roku 2001 bol z Floridy vypustený satelit WMAP, ktorého úlohou bolo urobiť tie presné merania, ktoré COBE urobiť nedokázal. WMAP prišiel, videl a zvíťazil. Vďaka nemu poznáme s ohromujúcou presnosťou niekoľko kľúčových kozmologických veličín. Napríklad vek vesmíru (13.73 ± 0.12 miliárd rokov), rýchlosť rozpínania vesmíru, a tiež to, že vesmír, ktorý by v princípe mohol byť zakrivený, v skutočnosti zakrivený nie je.
Z tejto poslednej vlastnosti vesmíru vedia fyzici vydedukovať, že väčšinu toho, z čoho sa vesmír skladá, tvorí úplne neznáma a záhadná vec, ktorej hovoríme temná energia. Ale o tom až nabudúce.
Dnes už len dodajme, že štvrtá veta kvantovo-relativistickej symfónie ešte nie je skomponovaná. V tejto vete by sa mala kvantová mechanika definitívne spojiť s všeobecnou teóriou relativity do kvantovej teórie gravitácie. Zatiaľ nič také nemáme. Ale pracuje sa na tom.
.medzi zaujímavé vlastnosti tohto žiarenia patrí okrem iného aj to, ako usilovne produkuje Nobelove ceny. Prvú v roku 1918, druhú o šesťdesiat rokov neskôr, tretiu v roku 2006 a štvrtá bude udelená v blízkej budúcnosti, možno už na budúci rok. Niet sa ani veľmi čo čudovať, žiarenie absolútne čierneho telesa už niekoľkokrát úplne zásadným spôsobom zmenilo náš pohľad na prírodné vedy. A to v takých odlišných oblastiach, ako sú na jednej strane atómová a jadrová fyzika a na druhej strane vznik a vývoj vesmíru.
Pojem absolútne čierneho telesa, alebo skrátene len čierneho telesa, zaviedol do fyziky pred 150 rokmi Gustav Kirchhoff pri výskume tepelného žiarenia. Čo je vlastne tepelné žiarenie? Je to elektromagnetické žiarenie, ktoré pri ľubovoľnej teplote vyžarujú telesá, kvapaliny alebo plyny.
Prostredníctvom tohto žiarenia prichádza k vyrovnávaniu teplôt aj v prípade, že látky sa navzájom nedotýkajú. Každá látka totiž okrem vysielania vlastného žiarenia aj pohlcuje žiarenie vysielané inými látkami. Teplejšie veci pritom vyžarujú viac než pohlcujú, a preto postupne chladnú. So studenšími je to naopak, a takto to prebieha dovtedy, kým sa teploty nevyrovnajú.
Kirchhoffa zaujímalo, ako vyzerá žiarenie v konečnom stave s vyrovnanými teplotami. A prišiel na zaujímavú vec: výsledné žiarenie vôbec nezávisí od špecifických vlastností jednotlivých látok, ktoré sú v tepelnej rovnováhe. Ak zo systému nijaké žiarenie neuniká (čiže ak je systém, povedzme, ohraničený nejakými stenami) potom jediná vec, od ktorej výsledné žiarenie závisí, je teplota celého systému.
No ale, ak je rovnovážne tepelné žiarenie nezávislé od vlastností telies, potom si môžeme pre svoje úvahy zvoliť také telesá, aké len chceme. Kirchhoff si zvolil práve absolútne čierne telesá, pretože taký výber viedol k zjednodušeniu mnohých jeho úvah (poznámka pre pochybovačov: aj čierne veci môžu žiariť, ako príklad uveďme čiernu pec rozpálenú do červena). Telesá to síce boli hypotetické, ale ich žiarenie bolo celkom reálne – rovnaké ako žiarenie ľubovoľných realistických telies pri rovnakej teplote.
.devätnáste storočie
Prvá fáza triumfálneho pochodu žiarenia čierneho telesa fyzikou prebiehala v rámci optiky, termodynamiky a elektrodynamiky. Experimentálni fyzici sa snažili optickými metódami zistiť, aké je spektrálne zloženie takéhoto žiarenia. Teoretickí fyzici sa snažili toto spektrum vypočítať pomocou teórie elektromagnetických polí a termodynamiky. Jedno aj druhé úsilie prinieslo pozoruhodné výsledky. A najpozoruhodnejšie bolo, že tieto výsledky si navzájom odporovali.
Mnohé rozpory medzi teóriou a experimentom majú len krátky život. Pri podrobnejšej analýze sa totiž často nájde nejaká chyba – či už na strane experimentátorov, alebo teoretikov – a po odstránení tejto chyby sa veci uvedú do rozumného súladu. Žiarenie čierneho telesa však nebol tento prípad. A tak sa stalo, že vo svojej slávnej prednáške pred britskou Kráľovskou spoločnosťou na samom sklonku 19. storočia hovoril lord Kelvin o krásnych a jasných teóriách tepla a svetla, ktoré sú však zatienené dvoma oblakmi. Jedným z nich bolo žiarenie čierneho telesa a druhým takzvaný Michelsonov- Morleyho experiment.
Netrvalo dlho a z týchto dvoch oblakov zahrmelo a zapršalo. Búrka to teda bola riadna, jej výsledkom boli dve najväčšie revolúcie v dejinách fyziky. A úroda, ktorú tento dážď umožnil, bola naozaj bohatá.
.dvadsiate storočie
V roku 1901vyšiel v časopise Annalen der Physik článok, v ktorom Max Planck navrhol jednu možnosť odstránenia rozporov medzi teóriou a experimentom v prípade žiarenia čierneho telesa. Išlo však o veľmi podozrivú možnosť – Planck musel predpokladať niečo, čo celkom odporovalo celej dovtedajšej fyzike (poznámka pre znalcov: išlo o predpoklad priamej úmernosti energie a frekvencie harmonického oscilátora).
Akokoľvek podozrivá, Planckova hypotéza sa nakoniec ukázala správna. A znamenala prvý krok ku kvantovej mechanike, veľmi zvláštnej a veľmi úspešnej teórii javov na úrovni atómov a molekúl. Druhým krokom na ceste k tejto teórii bol iný článok v Annalen der Physik – v roku 1905 v ňom Albert Einstein významne rozvinul Planckovu hypotézu a vysvetlil tak dovtedy záhadný fotoelektrický jav. V tom istom roku vyšiel v tom istom časopise od toho istého autora ďalší článok, v ktorom sa z druhého Kelvinovho oblaku, t. j. z Michelsonov-Morleyho experimentu, zrodila špeciálna teória relativity.
Fyziku 20. storočia možno od tejto chvíle vnímať ako symfóniu, v ktorej dominujú dve Einsteinove témy z roku 1905. V prvej vete tejto symfónie bola rozvinutá predovšetkým relativistická téma a jej vyvrcholením bola všeobecná teória relativity. V druhej vete sa zas rozvíjala hlavne kvantová téma a jej vyvrcholením bol vznik kvantovej mechaniky. V tretej vete sa tieto dve témy spojili prekvapujúco harmonickým spôsobom.
Najprv sa spojila špeciálna teória relativity s kvantovou mechanikou v teórii elementárnych častíc. Všeobecná teória relativity medzitým dospela k teórii Big Bangu a pri opise raných štádií vesmíru sa potom do určitej miery spojila s teóriou elementárnych častíc. Jedným z výsledkov tohto spojenia bola predpoveď existencie všadeprítomného žiarenia pochádzajúceho z doby, keď mal vesmír len asi štyristotisíc rokov.
Toto žiarenie (hovorí sa mu reliktné žiarenie alebo žiarenie kozmického pozadia) malo mať charakter žiarenia čierneho telesa. Nijaké také teleso sa síce v ranom vesmíre nevyskytovalo, ale vyskytoval sa tam horúci plyn nabitých častíc v tepelnej rovnováhe s elektromagnetickým žiarením. A ako vieme už od Kirchhoffových čias, žiarenie čohokoľvek v tepelnej rovnováhe je rovnaké ako žiarenie čierneho telesa.
V šesťdesiatych rokoch objavili presne také žiarenie Arno Penzias a Robert Wilson a práve ich objav spôsobil definitívny príklon väčšiny kozmológov k teórii Big Bangu. V roku 1978 získali spomínaní páni druhú Nobelovu cenu za žiarenie čierneho telesa (prvú získal v roku 1918 Max Planck).
Tretia sa ušla pred dvoma rokmi Johnovi Matterovi a Georgeovi Smootovi. Išlo vlastne o Nobelovu cenu pre satelit COBE, ktorého misia v deväťdesiatych rokoch spočívala v mimoriadne presných meraniach charakteru tohto žiarenia. Výsledky z COBE pritom nepriniesli až tak veľa nového. Ich hlavný význam bol dvojaký. Po prvé potvrdili, že spomínané kozmické žiarenie má naozaj charakter žiarenia čierneho telesa (a tým odstránili pochybnosti, ktoré vznikli na základe niektorých predchádzajúcich meraní). A po druhé ukázali, že detailným a veľmi presným meraním reliktného žiarenia prichádzajúceho z rôznych smerov sa môžeme o vesmíre dozvedieť neuveriteľné podrobnosti. Na zistenie týchto podrobností však presnosť meraní prístrojov na satelite COBE nepostačovala.
.dvadsiate prvé storočie
To však ešte nie je koniec príbehu. V roku 2001 bol z Floridy vypustený satelit WMAP, ktorého úlohou bolo urobiť tie presné merania, ktoré COBE urobiť nedokázal. WMAP prišiel, videl a zvíťazil. Vďaka nemu poznáme s ohromujúcou presnosťou niekoľko kľúčových kozmologických veličín. Napríklad vek vesmíru (13.73 ± 0.12 miliárd rokov), rýchlosť rozpínania vesmíru, a tiež to, že vesmír, ktorý by v princípe mohol byť zakrivený, v skutočnosti zakrivený nie je.
Z tejto poslednej vlastnosti vesmíru vedia fyzici vydedukovať, že väčšinu toho, z čoho sa vesmír skladá, tvorí úplne neznáma a záhadná vec, ktorej hovoríme temná energia. Ale o tom až nabudúce.
Dnes už len dodajme, že štvrtá veta kvantovo-relativistickej symfónie ešte nie je skomponovaná. V tejto vete by sa mala kvantová mechanika definitívne spojiť s všeobecnou teóriou relativity do kvantovej teórie gravitácie. Zatiaľ nič také nemáme. Ale pracuje sa na tom.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.