沈君山解說黑體輻射（三）

■宇宙中最奇特的黑體輻射，就是宇宙微波背景輻射。這些光子是怎麼達成熱平衡的？

撰文｜高涌泉

我之前介紹了「黑體輻射」此一物理名詞的兩種解釋：一是出現在高中物理課本中的標準定義：一個具有固定溫度的黑體所放射出的電磁輻射；另一則是沈君山教授在〈3K黑體輻射〉一文中的說明：黑體輻射是一群處於熱平衡狀態的光子。由於電磁輻射即是光子，所以這兩種解釋的差異便在於前一種描述似乎把重點放在「黑體」，而後一種描述卻是在強調「熱平衡」，甚至於沈君山在解說中完全沒有提及黑體到底是什麼東西。這些差異到底是怎麼回事？如果黑體對於黑體輻射的意義而言，並非不可或缺，何以傳統的定義都還是要從黑體說起？

請記得我先前說過，自然界中很難找到全然不反射光的黑體，19世紀物理學家模擬黑體輻射的做法是拿一封閉的空盒子，在盒壁上開一小洞，當盒子處於固定溫度時，從小洞射出的輻射便極為接近理想黑體輻射。也就是說，存在於盒內空腔中的這一群光子即是黑體輻射。但我們要問為何如此？亦即何以這些光子會處於熱平衡狀態？高中課本的答案是，當我們假設盒子具有固定溫度時，依據溫度的意義，我們就假設了熱平衡成立。不過這並未說明此假設如何能夠成真？因為光子和撞球彈子不一樣，彈子與彈子會相互碰撞，可是光子與光子並不會交互作用（請記得兩個相會的電磁波會維持原狀相穿而過），所以如果不設法讓光子互相影響，隨便一群光子絕不會自動趨向熱平衡狀態！

如何讓光子相互影響？既然光子不可能直接相互作用，而且它們只能夠和帶電物體作用，我們便必須引入帶電粒子，使得光子能夠藉由帶電粒子而間接發生作用，也就是如沈君山所言：「要使光子達到平衡狀態，一定要和物質滲雜在一起，使吸收放射循環不息，時間既久，物質與光子就達到平衡。」那麼在前述模擬黑體的空盒子中，帶電物體在哪裡？它們便是盒（腔）壁上原子內的帶電粒子（如電子），這些盒壁原子會不斷吸收與放射光子，也就是不停地散射光子，以致空腔中的光子終究可以進入熱平衡狀態。也只有如此，物理學家才能製造出黑體輻射。在此情況下，黑體（空盒子）成了熱平衡的條件，難怪物理課本不能不從黑體講起。

那麼沈君山何以刻意不提黑體在歷史上的原始意義，而只提黑體的物理意義（處於熱平衡的一群光子）？這是因為沈君山的目的在於介紹宇宙中最奇特的黑體輻射，即物理學家在1964年意外發現的「2.725K宇宙微波背景輻射」；也就是說，如果把宇宙看成一個超巨大的空腔，則這個空腔中存在著溫度約為2.725K的一群熱平衡光子。這是極為怪異的事，因為這個空腔並沒有被什麼空腔壁包圍，那麼光子是如何達成熱平衡的？

答案即在大霹靂理論中。這個理論主張現今的宇宙是由一極小空間經過137億年的不斷膨脹而形成的（見左圖）；而且宇宙最初的溫度極高，以至於其中的物質皆只能以基本粒子（如光子、電子、夸克等）的形態存在著，所以光子能夠與帶電的基本粒子相互作用，而達成熱平衡。但是宇宙的溫度隨著宇宙的膨脹逐漸下降，以至於帶電粒子可以緊緊綁在一起成為中性原子；一旦帶電粒子不見了，光子就不再有交互作用，但是已經達成的熱平衡仍會持續下去。既然「宇宙微波背景輻射」達成熱平衡的來歷和實驗室中的黑體有所不同，沈君山當然就不必多添麻煩地去解釋空腔、小孔、腔壁這些東西了。

--本文原刊載於《科學人》形上集。