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余海峯(Hoi-Fung Yu)/共發表22篇文章

天體物理學家、科學專欄作家,香港聖類斯中學、香港大學舊生。 瑞典皇家理工學院(KTH)博士後研究員。博士修於德國馬克斯.普朗克地外物理研究所(MPE)及慕尼⿊工業大學(TUM)。研究興趣為伽瑪射線暴輻射機制及貝氏統計資料分析等。 曾受訪於香港無綫電視節目《新聞透視》及香港新城電台節目《我講你信唔信》。著有科普《星海璇璣》。

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1911諾貝爾物理獎:威廉・維因

  撰文者:余海峯(Hoi-Fung Yu)  1911
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太陽是什麼顏色的?相信大家都認為太陽是橙紅色的。其實太陽應該是白中帶綠的!1911年諾貝爾物理獎頒給威廉・維因(Wilhelm Wien),他發現的維因位移定律(Wien’s displacement law)指出一個擁有太陽表面溫度(約6000度)的黑體的輻射光譜峰值位於綠色光附近。

[威廉・維因的諾貝爾獎官方照片。]

物體如何散發熱能一直是科學家非常重視的研究題目。推導準確的熱力學定律,現被稱為普朗克定律(Planck law)或黑體輻射定律,需要使用量子論的概念。不過在19世紀普朗克仍未發表量子論時,科學家已經能夠量度物體的光譜。

所謂黑體(blackbody),就是理想中的一個能把所有輻射100% 吸收的物體。世上並沒有完美的黑體,所有已知物體都會反射一部分光線。甚至連黑洞亦非完美黑體。然而在1895年,維因與奧圖・龍馬(Otto Lummer)發現,如果在一中空物體開一小洞,由此小洞發出的輻射與擁有相同溫度的黑體非常接近。

縱使當時已有基爾霍夫定律(Kirchhoff’s law)把一般物體輻射的熱能與黑體輻射的熱能連繫起來,但由於黑體是個不存在於現實世界的理想物理概念,使熱力學研究非常困難。如能找到黑體的熱力學定律,就可以使用基爾霍夫定律描述一般物體的熱力學輻射。

[不同溫度的黑體輻射光譜。溫度越高,峰值波長越短。我們的太陽表面溫度約為6000度,由此圖可見其光譜峰值位於綠色光附近。Image courtesy of 4C/Wikimedia Commons]

1886年,塞繆爾・蘭利(Samuel Langley)發現物體發出的輻射光譜都有一個峰值,而這個峰值所在的波長位置隨該物體的溫度而有所不同。1893年,維因發表了一份理論研究,發現完美黑體輻射光譜的峰值波長與溫度成反比。這就是著名的維因位移定律。

其後,龍馬與恩斯特・冰斯咸(Ernst Pringsheim)發現維因位移定律對一般物體都適用。只要測量出物體輻射光譜的峰值波長,就可以計算出該物體的溫度。因此,維因位移定律是熱力學最常用的定律之一。現代天文學家亦是透過觀察遙遠恆星的光譜,使用維因位移定律計算出恆星的表面溫度。

維因並沒有就此滿足。他繼續研究,希望能夠找出完全描述黑體輻射的定律。他找到一條公式,能夠描述黑體輻射光譜中比峰值波長更短的部分。而我們之前介紹過的1904年諾貝爾物理獎得主約翰.斯特拉特則發現了能夠描述比峰值波長更長的公式。黑體輻射的完整公式,要到1900年,才被馬克斯・普朗克(Max Planck)發現。我們在介紹1918年諾貝爾物理獎時,會詳細地討論普朗克定律。

最後,回到開始的問題:既然太陽光譜峰值位於綠色光附近,為什麼它看起來是橙紅色的?如果各位仍記得,我在1904年諾貝爾物理獎介紹文章中最後一段已經解釋過:根據瑞利散射定律,光線波長越短則其被空氣散射的強度越強,因此波長較短的藍色光線更容易被地球大氣散射,所以天空看起來就是偏藍色的。剩下來自直望太陽的光,就是波長較長的偏橙紅色光線了。



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