光子氣體（photon gas）

封住一個空箱，把箱壁加熱到溫度 T，空腔便充滿了處於熱平衡的電磁輻射——一團發光的氣體，其粒子是不斷被箱壁吸收又再發射的光子。這就是光子氣體；把黑體輻射視為遵守玻色-愛因斯坦統計的量子粒子氣體，能將熱爐那神祕的光譜化為尋常的熱力學。

光子是無質量、自旋為 1 的玻色子，具兩種偏振態，而關鍵在於它們的數目「不守恆」——箱壁可自由地產生與湮滅它們——故化學勢被固定在 mu = 0。因此，角頻率為 omega 的模式中平均光子數為 n = 1/(exp(hbar omega/kT) - 1)。對箱中的模式計數（態密度正比於 omega^2），再乘上每個光子的能量 hbar omega 與佔據數，便得到譜能量密度；將其積分得到總能量密度 u = a T^4，其中 a = pi^2 k^4 / (15 hbar^3 c^3)——這就是史蒂芬-波茲曼定律。因為光子是相對論性的，其狀態方程為 P = u/3：輻射壓力為能量密度的三分之一，而非非相對論性氣體的 (2/3)u。

光子氣體描述了熔爐內的光、恆星的表面，以及宇宙微波背景輻射——一個充滿整個空間、溫度為 2.725 K 的近乎完美的黑體。它是物理學中 mu = 0 的玻色氣體最乾淨的例子，其光譜恰好就是普朗克輻射定律。一個誠實的理想化：「黑體」意指處於完全熱平衡的完美吸收體與發射體；真實的空腔與恆星只是近似如此，而在空間中自由流動的輻射也並非嚴格處於平衡。