2.1　黑體輻射謎團

第一個就是黑體輻射規律。

所謂黑體，顧名思義，就是最黑的物體。我們知道，黑色的物體能吸收光，那么最黑的物體就能把射入其內的所有光全部吸收。精確地定義一下，黑體是指能全部吸收外來電磁波的物體，當它被加熱時又能最大程度地輻射出電磁波，這種輻射稱為黑體輻射。

黑體輻射其實是一種熱輻射。任何物體只要處于絕對零度（?273.15℃）以上，其原子、分子都在不斷地熱運動，都會輻射電磁波（稱為熱輻射）。溫度越高，輻射能力越強。

其實通俗點說，熱輻射就是指任何物體都會發光發熱：輻射出的電磁波就是“光”，發光時要釋放能量，電磁波攜帶的能量就是我們通常所說的“熱”。當然這里的“光”并非都是可見光，只有在500℃以上才會出現較強的可見光，所以我們人類雖然也在發光，發出的卻是肉眼看不到的紅外線。軍事上常用的紅外熱像儀就是通過接收物體發出的紅外線能量，經光電轉換獲得紅外熱圖像，從而讓我們“看到”物體。

實際上，人們很早就開始觀察并利用熱輻射的能量分布指導生產實踐。例如，古人在冶煉金屬時，爐溫的高低可以根據爐火的顏色判斷。戰國時期成書的《考工記》中就記載，冶煉青銅時爐中的焰氣，隨著溫度的升高，顏色要經過黑、黃白、青白、青四個階段，到焰氣顏色發青（爐火純青）時溫度最高。另外，青白色的灼熱金屬比暗紅色的灼熱金屬溫度更高。

黑體是研究熱輻射的主要工具，因為它的熱輻射程度是最完全的。黑體其實并不難做，做一個耐熱的密閉箱子，在箱子內壁涂上煙煤，還可以在里邊再加幾塊隔板，然后開一個小孔，這樣從小孔射入的光就能被它全部吸收（見圖2-1）；反過來，當它被加熱時又能從小孔中最大程度地輻射出電磁波。

圖2-1　黑體

一個耐熱密閉的黑箱子開一個小孔，就是一個簡單的黑體，光線射進去就出不來

對黑體加熱，它就能發光發熱，既然光是一種電磁波，那它就有波長，不同波長的光對應著不同的熱——即輻射能量。

19世紀末，人們已經得到了黑體輻射的光的波長與輻射能量密度之間的實驗曲線，可是在理論解釋上卻出現了大問題，物理學家們按電磁波理論推導出來的公式怎么也無法和全部實驗曲線相對應。其中比較好的有維恩公式和瑞利-金斯公式，但也只能分別解釋短波部分和長波部分（見圖2-2）。

圖2-2　黑體輻射實驗值（小圓圈）與兩個公式的理論值（虛線）的圖示，維恩公式只適用于短波部分，瑞利-金斯公式只適用于長波部分