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奠基黑體輻射研究:威廉.維因誕辰|科學史上的今天:1/13

1900年,著名的物理學家開爾文男爵(1st Baron Kelvin)在世紀之初發表演說,充滿樂觀的認為物理大廈已建成,只剩一些修飾性的工作,除了兩朵小小的烏雲,一是邁克生與莫利的光速實驗,一是黑體輻射的理論與實際不符。

威廉.維因。圖片來源:wikimedia

開爾文沒料到這兩朵烏雲很快就會發展成為吹垮大廈的暴風雨,前者是相對論,後者則是量子力學。德國物理學家威廉·維因(Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien)正是在黑體輻射的問題中扮演關鍵角色的人。

黑體是克希荷夫(Kirchhoff)在研究物體本身輻射出能量與吸收外來能量的比例關係時,所假想的理想物體。所謂黑體就是只能吸收一切外來的輻射能的物體;因為所有頻率的光都被它吸收,不會反射回去,看起來就是純然的黑色,所以稱為黑體。

另一方面,十九世紀後期的物理學家已經知道熱輻射是一種電磁波,有不同的波長。他們想研究物體溫度與熱輻射的波長分布之間的關係,但物體除了自身的熱輻射,也會反射外來的輻射,難以釐清。而黑體完全不會反射外界的輻射能,完全只有本身輻射出來的能量,因此就可以很單純地用來研究;就像我們在計算重力時,會假設物體是一個質點。

維因於1896年從熱力學的角度推導出「維因公式」,首度賦予黑體輻射一個明確的關係式。但怎麼知道這個公式對不對呢?畢竟現實世界中又不存在理想中的黑體,供我們測量其輻射能量來加以驗證。沒關係,維因和同事盧默(Otto Lummer)想出一個可以模擬黑體的巧妙方法。

他們建議做一個密閉的空腔,僅留一個極小的孔洞。如此一來,即使有外界的光恰巧射入小孔,也會被「鎖」在腔內不斷反彈,幾乎沒機會再從小孔逃出,就相當於不會反射任何外來輻射的黑體。將空腔加熱至一定溫度後,小孔發出的光就是空腔內壁本身的熱輻射,分析其光譜就可以得到相當於此一溫度的黑體輻射。

雖然維因第二年就轉而研究陰極射線,但盧默仍繼續與其他科學家著手空腔實驗。經過三年的實驗,他們測得的資料顯示黑體輻射中只有高頻區段的數據與維因公式吻合,低頻則有不小差距(另一個瑞利─金斯公式則恰好相反,只適用於低頻)。雖然維因的公式並不完全正確,但他相當於完成部分先導的工作,才有普朗克引進量子的概念,徹底解決這問題,並開啟了量子力學的研究。所以維因還是因此而獲得1911年的諾貝爾物理獎。

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

 

 

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。