普朗克輻射定律(Planck's radiation law)
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加熱任何物體,它都會發光——先是暗紅,接著橙色,愈熱愈白。這道光的確切顏色光譜是什麼?十九世紀的古典物理給出荒謬的答案:瑞立-金斯公式預測波長愈短能量愈多,總能量無窮大,即所謂的紫外災變。1900 年,普朗克藉由一個激進的假設——能量以離散的量子 hbar omega 為單位交換——找到了正確的光譜,這正是量子理論的誕生。
普朗克定律給出黑體輻射的譜能量密度。就單位角頻率而言,u(omega, T) = (hbar omega^3 / pi^2 c^3) / (exp(hbar omega/kT) - 1)。第一個因子正比於 omega^2,是電磁模式的古典計數;第二個因子是每模式的玻色-愛因斯坦平均能量 hbar omega / (exp(hbar omega/kT) - 1),在頻率相當大時提供了古典物理所缺乏的指數截止。兩個極限可還原較舊的結果:低頻時(hbar omega << kT)平均能量趨近 kT,光譜退化為瑞立-金斯,u -> kT omega^2/pi^2 c^3;高頻時則呈指數衰減(維因定律)。對所有頻率積分得到史蒂芬-波茲曼定律 u = a T^4,而定出峰值位置則給出維因位移定律 lambda_max T = 常數。
普朗克定律是全物理學中受實驗驗證最徹底的公式之一;宇宙微波背景輻射就是它的教科書級擬合。其歷史重要性難以言喻:量子 hbar 正是在此進入物理學,而紫外災變的解決並非來自對模式計數的任何更動,而是來自對每一模式所能容納能量的量子化。一個誠實的註記:普朗克起初把量子化當作一種形式上的技巧引入,直到後來愛因斯坦才將它詮釋為真實的光子;這些量子在物理上是真實的,並非僅是記帳的手段。
太陽表面約 5800 K,輻射出峰值位於可見光約 500 nm 的普朗克光譜(維因定律:lambda_max T 約為 2.9 x 10^-3 m K,故 lambda_max 約 500 nm)。較冷的 3000 K 燈絲峰值落在紅外線,這正是老式燈泡摸起來很燙卻只發出微弱可見光的原因。
愈熱的物體峰值波長愈短——這是普朗克光譜之中的維因位移定律。
紫外災變的解決並非靠更動模式的數目(那部分是古典且正確的),而是靠量子化每模式的能量,從而指數地壓制高頻模式。瑞立-金斯與維因是極限情形,並非相互競爭的理論:兩者都包含在普朗克的單一公式之中。