什么是黑体辐射？ 26

本系列文章预计会有30个章节，这套文献将系统讲述物理学本身，这里是第四季第26篇

今天我们简单介绍一下有关黑体辐射的问题。

“黑体”是物理学里的一个技术术语，指的是一个理想化的物体，可以吸收所有指向它的电磁辐射。

光是电磁辐射的一种形式，所以，如果我们向一个黑体投射光线，黑体将吸收所有光线，因而表现出黑暗的性质（因此才被称为“黑体”）。

在日常生活中，我们不会遇到这样理想化的物体，但是我们确实会对某些黑体有所体会，尽管它们与物理学中理想化的黑体有些不同，但会有助于解释某些问题。

举个例子，思考一下电炉上的黑色线圈炉头。这样的一个物体吸收了大部分投向它的光线，因此它看起来（大多数情况下）是黑色的。除此之外，加热的时候，这个物体将会对外进行辐射。

比如，电炉上的线圈炉头可以同时以热和光的形式对外进行辐射（举个例子，当足够热时，线圈炉头会发出红光）。当然，我们可以测量线圈对外进行辐射的模式。

一个理想化的黑体在受热时应该对外进行辐射。

根据牛顿科学体系，也就是在18世纪和19世纪牛顿世界观的发展，一个受热的黑体预计将以某种特定模式对外进行辐射。

事实上，关于受热黑体对外进行辐射的模式，存在已经明确且与牛顿世界观定量计算传统保持一致的方程式，应可以进行相当准确的预测。

到了19世纪末和20世纪初，物理学家已经构建出能够对外进行辐射的设备，其对外辐射的模式应该与受热黑体对外进行辐射的模式相同。

然而，实际观察到的辐射模式与根据牛顿科学体系预测的辐射模式却有显著差异。

简单来说，情形是这样的：当仅观察波长较长的辐射时，所观察到的辐射模式与预测的模式十分相近。

但是，到了短波时，观察到的辐射模式则与预测模式大相径庭。（顺带提一下，这些有问题的短波位于电磁波谱的紫外线一端，因此这个问题有时被称为“紫外灾难”。）

这个情形与迈克尔逊-莫雷实验的情形有些类似，也是一个不证实证据的例子：根据当时存在的有关辐射的观点（符合牛顿科学体系的观点），人们预期看到某些实验结果。

但是，在黑体辐射上，那些预期可以看到的结果实际上都没有出现。所以，在这里，与迈克尔逊-莫雷实验的情形一样，牛顿科学体系似乎哪里有些不对。

同样，人们当然不会因为少数几个问题就轻易放弃一个本来很成功的理论，更不要说是一个已经非常成功的牛顿科学体系。尽管如此，黑体辐射问题确实似乎是另一朵小乌云。

最终，量子理论的出现才解释了黑体辐射。我们在后续章节中将会看到，量子理论对我们有关这个世界的许多假设都产生了非常深远的影响，具体来说，它对牛顿世界观的多个重要内容都产生了巨大影响。

所以，与迈克尔逊-莫雷实验的情形一样，黑体辐射的问题后来被证明并不只是一朵小乌云。

Masir 2022/3/11

祝好运~

参考文献 

理查德.德威特 《世界观》

图片来源于网络

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