基礎與經典危機
黑體輻射
加熱任何物體,它都會發光。火中的撥火棍隨著變熱而由暗紅轉橙、再轉熾白,即便是涼到肉眼看不見的物體,也仍在傾瀉不可見的紅外線。「黑體」是一種理想化的物體,它吸收一切落到它身上的波長,當它溫暖時,又重新放出一種發光,其顏色只取決於溫度,而與它由什麼材料構成無關。
物理學家用加熱空腔上的一個小孔來研究它,這個小孔幾乎完美地表現得像一個黑體。測出每個波長上放出多少能量,你會得到一條平滑的、隆起的曲線。隨著溫度升高,整條曲線長得更高,其峰值滑向更短、更藍的波長——這就是為什麼更熱的東西看上去更白,而一顆恆星的顏色能透露它的溫度。
這條曲線的確切形狀在十九世紀九十年代被極為細緻地測量出來,它隨即成了一樁靜悄悄的醜聞。經典物理把電磁學與熱的統計學結合起來,卻根本無法重現它。黑體譜的難題,正是那根線頭——一旦被拉動,經典物理便開始散架——而普朗克在 1900 年為擬合這條曲線所作的嘗試,點燃了量子時代的第一顆火星。
spectrum depends only on temperature T; peak wavelength ∝ 1/T
更熱的物體發光更亮、更藍——曲線的形狀僅由溫度決定。
沒有哪個真實物體是完美的黑體,但太陽、窯爐和宇宙微波背景都已足夠接近,它們的譜與理想曲線吻合得相當好。
又稱
另見