在我们的日常生活中,对许多现象背后的科学原理可能不甚了解。拿一个简单的例子来说,将一个物体逐渐加热,我们会发现当温度达到某一点时,该物体开始发光,甚至燃烧起来。因此,很多人便认为高温是物体发光的必要条件。
这当然没错,然而,这一观点并不完全精确。确切来讲,物体是否发光与温度的高低并非直接相关。实际上,一切物体都在不断地辐射能量,发出电磁波,不管其温度如何。只要物体的温度高于绝对零度,都会发光,而自然界中的温度最低限即为绝对零度。
然而,我们平常所称的“发光”,实际上是指人眼能够看到的“可见光”。可见光仅占整个电磁波谱的很小一部分,大部分光我们是无法直接用肉眼看见的。
为了更深入地理解这一现象,我们需要介绍几个基本概念。
黑体:
科学家们构想出一种称为“黑体”的理想化物体,它不反射也不透射任何光线。通俗来讲,所有投射到其上的辐射能都会被它吸收。并非所有黑体都是完全不发光的,因为在特定温度下,它们也可能发出辐射。
以太阳为例,它可以被视作一个巨大的黑体。太阳几乎不会反射任何进入其内部的辐射,因此我们将太阳视作黑体来进行研究。
但实际上,完美的黑体在现实中并不存在。科学上引入黑体的概念是为了简化复杂的热力学问题,就像我们讨论物体受力时会理想化一个“刚体”(不会形变的物体)一样。
第二个概念是色温:
随着黑体温度的升高,它发出的光线波长会越来越短,频率则越来越高。色温正是根据黑体这一性质来描述光的颜色的一个参数。为方便描述各种颜色,科学家使用数字来表示,因为给所有颜色起名字实在是太难了。色温从绝对零度开始,理论上没有温度上限。
例如,如果一个光源发出的光线颜色与一个温度为3000度的黑体发出的光相同,那么该光源的色温就是(3000+273)K。
这表明了,任何物体只要温度高于绝对零度,就会辐射出能量,与黑体的区别在于,普通物体能够反射光线而黑体不能。
生活中我们常看到,比如一块金属只有在加热到一定温度时才会发光,并且发出红光。然而,这并不是说金属在未达到该温度时就不发光,只是在较低温度时,金属发出的光频率较低,低于人眼可见的红光。在更低的温度下,金属只能辐射出人眼看不见的红外光。
例如,人体也一直在发出“光”,只是这些“光”是红外线,我们的肉眼无法看到。如果佩戴上红外线眼镜,则可以清晰地观测到。
于是,你可能会问,为什么所有物体都要发光呢?它们不能不发光吗?
我们要理解光的实质,光究竟是什么?
简单来说,光就是电子在不同能级之间跃迁时释放出的电磁场能量,也可以说是一种能量。只要有电子跃迁,就会释放出光子(能量)。反过来,只要电子吸收了一定数量的光子(能量),就会发生跃迁。这种跃迁是电子在基态和激发态之间转换的过程。
电子在基态受到外界影响(吸收光子能量)后,会跃迁到更高能级,即激发态。像被弹簧推动一样,但电子总会回到稳定的基态,并将吸收的能量以光子形式释放出去。这些光子可能会被其他原子的电子吸收并释放,如此循环往复。
太阳发光的原理正是基于这样的过程。太阳核心的光子经过漫长的时间(数万年),通过无数次的电子吸收和释放,才最终到达太阳表面,因此我们所见的太阳光实际上是数万年前的光。
绝对零度,即所有微观粒子都停止运动时的温度,由于量子世界的不确定性,电子永远不会静止,因此绝对零度无法实现,所有物体都会发出辐射。
即使是神秘的黑洞,也会有能量辐射,尽管极其微弱。例如,一个和太阳质量相当的黑洞,其色温仅有0.06172x10的负6次方K,非常接近绝对零度。而上个世纪60年代科学家观测到的宇宙微波背景辐射的温度为2.725k,甚至比黑洞的温度还稍高一些。
总的来说,自然界中任何物体都有辐射,并非只有在高温时才会发光。人类眼睛所能看到的光仅仅是电磁波谱中的一小部分,我们需要借助其他专门的仪器才能观察到其他的光。