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。

人瀏覽過