太陽是橙紅色的，相信大家都認同這種說法。然而在物理學家眼裏，太陽並非橙紅色，而是白中帶綠。

1904年諾貝爾物理學獎獲得者瑞利研究發現，七彩太陽光傳播到地面的過程中，藍光被大氣散射，天空變成藍色，剩下直射的光線即偏橙紅色。

瑞利，原名約翰·威廉·斯特拉特（John William Strutt），圖片來源 Wikipedia

瑞利雖然解釋了太陽光的散射問題，但並沒弄清太陽的本色，也沒搞明白太陽表面溫度與光線之間的關係。

一位德國物理學家對太陽等星球的發光發熱問題進行了深入研究，並得出一個驚人的結論：太陽是白中帶綠的。通過對黑體的研究，他歸納出熱輻射的基本定律，推動了量子物理學的發展，獲得諾貝爾物理學獎。

衆說紛紜論黑體

物體是如何散發熱量的，關於這個問題，科學家研究了很多年。

現在可用普朗克定律來描述，是因爲有量子論作爲基礎。一百多年前量子論還沒誕生之時，科學家們又如何描述呢？

19世紀末，經過數代科學家前赴後繼的努力，經典物理已達到登峯造極的地步，僅有幾個問題未解決，其中之一就是熱輻射。

當時，物理學家們認識到熱輻射和光輻射的實質都是電磁波的傳播，同一物體的光、熱輻射存在一定的數學關係。爲了研究方便，科學家們提出一種完全吸收外來輻射而不反射的假設物體，稱之爲黑體。

由於現實中並不存在這類物體，所以研究起來很麻煩，熱力學發展也一度很緩慢。

絕對黑體完全吸收熱輻射的能量，圖片來源知乎

“只有找到黑體的熱力學定律，研究工作才能快速推進。”1892年秋，德國柏林的國家物理工程研究所裏，年輕的威廉·維恩教授已想到這點。

有多年熱力學研究經驗的他對經典物理的發展歷程爛熟於胸，自然知道經典物理在描述熱力學方面的短板。

維恩幾年前成爲科學家亥姆霍茲的助手，最近又獲得柏林大學的教授資格。

事業飄紅，讓他信心滿滿，選擇挑戰黑體研究自然也在情理之中。“要得出熱力學定律，必先弄清何爲黑體！”針對衆說紛紜的黑體理論，維恩決定給這個新生事物進行科學定義，再模擬出一個與之相近的實驗體。

位移定律解黑體

維恩的研究是枯燥的。他每天除了與數字、實驗器材打交道外，還要憑想象推測黑體的物理性質。

經過長時間研究，他弄清了黑體的四個基本性質及相關用途。概要如下：

一、黑體可在任何條件下吸收任何波長的輻射而不產生反射，是典型的“只進不出”；

二、黑體可將吸收的電磁輻射轉化爲熱輻射或光輻射，這點以後可推廣到燈具中；

三、黑體不一定是黑色的，比如太陽就是白中帶綠的；

四、表面溫度不同，黑體的顏色就不同，這方面表現最明顯的是恆星。

對於第四點，維恩進一步講道指出，陽光顏色的波長遞減順利爲紅、橙、黃、綠、青、藍、紫，即通常所說的七彩陽光。

宇宙中恆星的顏色與表面溫度相關，例如，處於即將燃盡階段的紅巨星表面溫度2000多度（開氏溫度），波長最長，故而顯紅色；而太陽表面溫度近6000度，波長處於中間，故顯綠色，受大氣影響變得有些白。

不同溫度的黑體輻射光譜：太陽表面溫度約爲6000度，其光譜峯值位於綠色光附近。圖片來源物理雙月刊

這些理論太過超前，沒有幾個人能理解。深諳此理的維恩決定做兩件事：研製實驗用的黑體；推導黑體輻射中表面溫度與光的數學關係。

研製實用黑體相對容易些。在物理學家拉梅爾的幫助下，維恩用一個月時間就發明了第一個實驗專用的黑體——空腔發射體。

這是一個封閉的金屬盒，只留一個小孔來單方向吸收能量，用它可以測出吸引的能量。

借用空腔發射體進行實驗，維恩只用半年時間就推導出了黑體表面溫度與其熱輻射波長的關係。

1893年底，維恩發表了一篇關於黑體輻射規律的論文。他在文中指出，黑體輻射的溫度與光譜的波長成反比，只要測出光譜的波長，就可以計算出黑體的溫度。後人把這個規律稱爲維恩位移定律。

各種輻射的波長範圍，圖片來源物理學網

黑體輻射應用廣

維恩位移定律不但成功填充了輻射研究的空白，還被用於各專業領域。

地理學家根據不同區域的熱像圖顏色來推測天氣變化，這纔有每天播出的天氣預報；天文學家通過測量遙遠恆星的光譜，輕鬆計算出該星球的表面溫度……

所有運用中，與生活結合最緊密的當屬LED技術。

LED的全稱是發光二極管，是用含鎵、砷、磷、硅等化合物製成的可發光的二極管。

我們平時看到商場彩燈組成的文字或數字，用的就是LED技術。

在二極管裏，各種不同的化合物發出不同顏色的光亮，比如砷化鎵二極管發紅光，磷化鎵二極管發綠光。

正因如此，我們所看到的夜間都市才顯得多彩和繁華。LED技術的物理學原理是把電能轉化成光能。

管內化學物質釋放能量多者發出的光波短，釋放能量少者發出的光波長，LED燈主要是紅、綠、黃光，是因爲長波的穿透力強，讓人易在遠處看到。這也是交通燈爲何由紅、綠、黃三色光組成的原因之一。

LED紅綠黃燈，圖片來源燈具網

維恩沒有止步，他不能完全確定黑體輻射定律是否適用於所有物體（比如髮長波的物體）。

經過研究，他於1896年得到一條更準確的黑體輻射描述公式，後人稱爲“維恩公式”。

雖然若干年後科學家證明此公式只適用於計算短波物體，但已經足夠了。“足夠”的意思是，科學家馬克斯?普朗克就是用維恩公式解決了量子物理學中的熱平衡輻射問題。

他根據此公式推導出了黑體輻射的完整公式（即普朗克定律，適用於所有波長的物體），最終推開了量子物理學的大門。普朗克因此獲得1918年諾貝爾物理獎。這是後話，暫且不表。

普朗克，圖片來源 Wikipedia

維恩推導出黑體輻射描述公式後，知道研究已到了經典物理的頂點，所以將研究重點轉向了陰極射線和陽極射線。

雖然他也在這些方面取得了成就，但與黑體輻射定律相比，無異於螢火之於皓月。

正如1914年諾貝爾物理學獎獲得者馬克斯·馮·勞厄所說，“（維恩）爲我們打開了通往量子物理學的大門”。

威廉維恩的諾貝爾獎官方照片，圖片來源物理雙月刊

維恩因發現黑體輻射定律及數學公式而享譽世界，被瑞典皇家科學院列入諾貝爾獎提名。1911年冬，他站到了諾貝爾物理學獎的領獎臺上。

文章出處：蝌蚪五線譜