从天边那一朵云谈起.PDF

從天邊那一朵雲談起 文/郭西川 別誤會，這篇文章要探討的不是蔡明亮獲獎的情 描淡寫的這兩朵小烏雲，竟然在 20 世紀引發了物理學 色電影，這裡是物理雙月刊，我們要回顧的是出現在 一場驚天動地的革命。 十九世紀末物理學上的另一朵雲，而且還是一朵烏 以太漂移實驗及黑體輻射實驗都跟光有關。前者 雲。有趣的是，這朵雲也為投身其中的物理學家贏得 證明了光速的恆定性，顛覆了世人對於時間與空間的 獎項(諾貝爾獎)，而它雖不如電影那樣吸引普羅大眾 既有概念；後者導致量子力學的建立，徹底改變了 20 的注意，但所造成的影響卻足以扭轉人類文明的發展 世紀人類的物質文明。在這篇文章中，讓我們來回顧 方向。這朵烏雲就是黑體輻射。 黑體輻射這朵小烏雲，究竟是如何撼動古典物理的巨 以牛頓力學為中心思想的古典物理，在經過兩百 廈。 年的演變發展後，建立了以力學、電磁學、統計熱力 1860 年前後，柯希霍夫(Gustav Robert Kirchhoff) 學、波動光學為主要架構的知識體系，在 19 世紀的下 等物理學家開啟了熱輻射(thermal radiation)光譜的研 半葉登上巔峰。幾位代表性的人物如馬克士威爾 (James Clerk Maxwell)、波茲曼(Ludwig Boltzmann)等， 究。所謂的熱輻射乃是發熱的物體會發出不同波長的 電磁波的一種現象。例如太陽所發出的電磁輻射以紫 都是在這個時期奠下他們永垂不朽的地位。當時物理 學家的意氣風發，可以由 1900 年英國物理學家凱爾文 外、可見光和紅外光居多，而蠟燭則主要發出可見光 及紅外光。在絕對溫度不為零的情況下，所有的物體 勳爵(Lord Kelvin 即 William Thomson)的一段話看出。 都不斷向周圍的環境發出熱輻射，同時也不斷的從周 凱爾文勳爵在一次展望新世紀科學發展的演說中指 遭環境吸收熱輻射。只有當物體與周遭環境達到熱平 出：「從今以後，物理學將不再有任何新的進展。剩 衡時，物體吸收與發出熱輻射的速率才會一樣。實驗 下來的工作只是不斷的改良測量的精確度，如此而 結果顯示，物體溫度越高所發出的光越多，波長越短。 已。」 (There is nothing new to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise 一般而言，物體的熱輻射頻譜跟它自身的組成材質有 關。不過實驗上也發現有一類物體，儘管它們有不同 measurement.”)。這段話充分反應了當時整個物理界 的化學成份，可是在同一溫度它們下卻有相同的熱輻 的心態：在古典物理嚴謹的架構下，物理學家已經完 射頻譜。這類的物體稱之為黑體(Blackbody) 。黑體輻 全掌握大自然的