什么是黑體輻射,什么又是黑體呢?
用風(fēng)馬牛不相及來(lái)形容黑體輻射和黑體是比較貼切的。雖然,它們都與光有關(guān),都擁有一個(gè)黑字,即意味著(zhù)不透明;但是,兩者的物理機制卻是截然不同的。所謂黑體,是指某物完全吸收光線(xiàn),不反光。而黑體輻射則恰好相反,是指內部的光被完全封閉著(zhù)且不被吸收,我們看不見(jiàn)其中的光亮。該物體只留出一個(gè)小孔對外發(fā)光??茖W(xué)家們正是根據這一理想的物理模型,觀(guān)測不同溫度的光譜分布,進(jìn)而研究能量的性質(zhì)。
因此,黑體是普通物體,比較直觀(guān),只要能吸收所有頻率的光,就是黑體。而黑體輻射則不然,其極具研究?jì)r(jià)值。如果能量是連續的,那么黑體輻射出來(lái)的光線(xiàn)就只是高能的紫外線(xiàn);反之,如果能量是不連續的,則輻射出來(lái)的光線(xiàn)各種頻率的都有。根據溫度的不同,有一個(gè)分布曲線(xiàn)。這就好比是選舉,如果按照財富選舉,當選的人一定是最有錢(qián)的人;只有一人一票,則各種不同階層的人都有機會(huì )當選。
在經(jīng)典時(shí)期,根據機械的世界觀(guān),將不同的概念完全對立起來(lái)。于是,能量與物質(zhì)是截然不同的。前者是連續和不確定的,后者則是不連續的實(shí)體,具有確定的質(zhì)量和體積。然而,根據對黑體輻射的觀(guān)測,其輻射出來(lái)的光線(xiàn)是全頻率的,只是不同頻率的強度有所不同,形成了一定的分布曲線(xiàn)。
無(wú)論是低頻還是高頻的光都很弱,只有與溫度相對應的頻率占絕大多數。這就好比是不同國家的人平均壽命是不同的,但無(wú)論平均壽命多少,短命和長(cháng)壽的人都是存在的。只是他們的數量不多而已。因此,連續的能量受到了實(shí)驗的挑戰,被比喻為是飄在經(jīng)典物理學(xué)晴朗天空上的一朵烏云。
為此,普朗克在其新建的黑體輻射公式中,引入了一個(gè)量綱為粒子角動(dòng)量的物理常數h。于是,消除了紫外災變。其原理是假設存在著(zhù)不可再分的最小粒子,而能量是關(guān)于粒子運動(dòng)能力的度量。所以,粒子的有限性,決定了能量的不連續性。
由此,奠定了量子力學(xué)的物理基礎。我們的宇宙是由無(wú)數個(gè)不可再分的最小粒子構成的,該最小粒子被稱(chēng)為量子。于是,離散的量子構成物理背景,即量子空間;受到激發(fā)的量子成為不同頻率的光子,屬于能量的范疇;而由高能量子的運動(dòng)所形成的封閉體系,就是各種基本粒子、原子和分子等不同層次的物體,屬于物質(zhì)的概念。
實(shí)際上,具有黑體輻射性質(zhì)的物體比黑體更為普遍。就物質(zhì)的定義而言,所有的物質(zhì)都是由高能量子的運動(dòng)所形成的封閉體系,它們都會(huì )因為其封閉性小于1,而對外輻射能量。
正是因為如此,萬(wàn)有引力才得以存在。因為,物質(zhì)的熱輻射,使量子空間形成了熱的梯度分布。于是,兩個(gè)物體相遇時(shí),會(huì )受到空間量子的不對稱(chēng)碰撞,從而產(chǎn)生相互接近的趨勢。這就好比兩個(gè)漩渦相遇,匯集成了一個(gè)更大的漩渦,將漩渦內的物體向漩渦的中心擠壓。
此外,即便是太陽(yáng)和黑洞也都在進(jìn)行著(zhù)黑體輻射。這就是為什么,我們接收到的陽(yáng)光早在百萬(wàn)年以前就產(chǎn)生了。其歷經(jīng)磨難,才有機會(huì )逃離太陽(yáng)。否則的話(huà),太陽(yáng)就會(huì )因核聚變而爆炸。至于黑洞,由于存在著(zhù)隧道效應,其中的光線(xiàn)都有機會(huì )逃離出來(lái)。只是,逃出的概率與光子的能量成正比關(guān)系。所以,真正能夠逃出的只有高能的x射線(xiàn)。這就是為什么,科學(xué)家們認為x射電源是黑洞的原因。
總之,黑體是吸收光線(xiàn),不反光;而黑體輻射則是不吸收光線(xiàn),且不對外釋放光線(xiàn)。這就好比,稅務(wù)局與財政部的關(guān)系。前者只管收錢(qián),后者則只管花錢(qián)。當然,在現實(shí)的世界,不存在絕對的物體。所以,黑體不黑,黑體輻射亦會(huì )不斷地向外釋放出各種頻率的能量。只是,不同頻率的光線(xiàn)所占比例不同,其與溫度相關(guān)。例如,宇宙的微波背景輻射溫度,決定了空間量子在不同能量上的分布。同是空間量子,它們所擁有的能量卻并不是完全相同的。