為什么有些物體溫度高到一定程度就會(huì)發(fā)光？

2019.12.12

實(shí)際上，所有物體都會(huì)發(fā)光，或者說，只要是絕對零度以上的物體都會(huì)發(fā)光。我們?nèi)祟愑^察到的有些物體溫度高到一定程度就會(huì)發(fā)光只不過是發(fā)光的光波頻率進(jìn)入到了可見光的波段，因而我們的眼睛可以觀察到而已。

要理解這些東西，需要了解幾個(gè)基本概念:

黑體

黑體是理論上的一種理想物體，它不反射或者透射任何光。但是黑體自身可以發(fā)出熱輻射，也就是“發(fā)光”。黑體會(huì)因?yàn)榧訜岫l(fā)光（發(fā)射光子輻射），并隨著溫度的升高而發(fā)射不同頻率的光子。假設(shè)黑體這種理論性的概念，主要是為了探討熱力學(xué)的一些問題，因?yàn)椴挥每紤]黑體的反射和透射等復(fù)雜的情況。當(dāng)然，在現(xiàn)實(shí)世界中，是不存在黑體這種東西的。

上圖：被加熱的鐵釘，透出紅光。

所以我們就可以用“黑體”來描述物體因?yàn)槭軣岫l(fā)光的情況，這類似于我們用“剛體”來描述物體受力的情況一樣。

色溫

前面說了，黑體溫度越高，其發(fā)光的波長就越短，頻率就越高。而色溫就是利用了黑體這一規(guī)律來描述光的色彩的一個(gè)量。因?yàn)槲覀儧]辦法給所有的色彩都取一個(gè)名字，因此我們可以用一個(gè)數(shù)量來描述無窮的色彩。

色溫就采用了黑體在不同的溫度下輻射出的光子的顏色的那個(gè)溫度值作為描述顏色的方法。色溫的范圍即從絕對零度(0K)開始，向上可以上升到溫度的上限（這個(gè)上限可能是哈格多恩溫度，大約是2萬億K，此溫度下夸克直接轉(zhuǎn)化為能量）。

例如：如過一個(gè)單色光源發(fā)出的光，其顏色與絕對黑體在3527℃時(shí)的顏色相同，那么這只燈泡發(fā)出的光的色溫就是：（3527+273）K=3800K。

色溫的范圍也說明了，任何物體只要溫度高于絕對零度，就會(huì)輻射出光子，它們與黑體的差異只在于它們可能還會(huì)反射環(huán)境的光子。

我們看到金屬在加熱時(shí)發(fā)紅，并不是說是金屬加熱到某個(gè)溫度才開始輻射光，而是金屬在低溫時(shí)輻射的光子的頻率低于紅色光。因?yàn)榧t色光是我們的視覺能夠感知的光的下限，金屬在更低的溫度下只能輻射紅外光，甚至遠(yuǎn)紅外光，這些光我們無法看到，但并不能說那金屬就沒有發(fā)光。

上圖：一個(gè)簡化的黑體輻射譜（不是彩虹旗）

如果有專業(yè)的儀器，我們甚至可以在0度以下探測到金屬發(fā)出的光，只是這探測儀器恐怕需要非常靈敏才行。

為什么一切物體都在發(fā)光？

這是因?yàn)椋?span>光的本質(zhì)實(shí)際上就是電子振動(dòng)所輻射出來的電磁場能量?；蛘哒f光子就是電子所產(chǎn)生的靜電場振動(dòng)所產(chǎn)生的時(shí)空的漣漪（這類似引力波是物質(zhì)振動(dòng)所產(chǎn)生的時(shí)空漣漪）。只要電子有振動(dòng)，就會(huì)釋放光子，而且無論多么微弱也是光啊。

而溫度的本質(zhì)，實(shí)際上就是多個(gè)原子接受機(jī)械動(dòng)能之后產(chǎn)生的集體振動(dòng)，這種振動(dòng)的能量會(huì)在原子之間傳導(dǎo)，在宏觀上就形成“熱”效應(yīng)。

但這種振動(dòng)并非簡單地是原子之間的剛性碰撞，因?yàn)樵雍送獾碾娮舆€會(huì)被這種動(dòng)能擾動(dòng)，發(fā)生能量的轉(zhuǎn)儲(chǔ)過程，即部分電子因?yàn)橥獠縿?dòng)能的干擾而“脫軌”（專業(yè)術(shù)語叫“激發(fā)”），

電子被激發(fā)的后果就是電子會(huì)“出軌”到更外層的軌道，然后導(dǎo)致原子的電場發(fā)生擾動(dòng)。由于原子核外層的電子就像彈簧一樣，一旦被擾動(dòng)，它是會(huì)想“彈”回去的。于是電子必須把接收到的動(dòng)能釋放掉，才能落回原來的“軌道”（實(shí)際上是電子殼層），正好由于電場被擾動(dòng)，相當(dāng)于給能量通過電場釋放開出了一個(gè)口子——光子被順?biāo)浦鄣禺a(chǎn)生出來了，在瞬間就帶著能量飛了出去。電子也就回歸本位了。

用一個(gè)更生動(dòng)而且貼切的比喻：這相當(dāng)于一大堆“不安分”的原子相互撥動(dòng)了對方身上的“琴弦”，然后琴弦回彈，以聲音的方式把撥弦的能量釋放了出去。而且撥的弦（電子層）不同，聲音（顏色）也就不同。于是在一陣繚亂的琴聲之后，又回歸了寂靜，除非有人又來挑撥（注入能量）這一堆不安分的原子。發(fā)紅的鐵塊，實(shí)際上就是被外部的加熱的能量強(qiáng)力“挑撥”了的一大堆鐵原子，這些鐵原子相互狠狠地撩撥彼此的“琴弦”，發(fā)出高音，于是成為了我們看到的紅光。

“熱”實(shí)際上是一種宏觀的統(tǒng)計(jì)學(xué)效應(yīng)，溫度是熱強(qiáng)度的度量，需要多個(gè)原子其意義才存在，如果只有一個(gè)原子，這種振動(dòng)就失去了相對性的意義，也就不存在振動(dòng)。

確實(shí)一切物體都發(fā)光嗎？

所以，熱，是一切物體發(fā)光的根本原因。而絕對零度是上述振動(dòng)消失的理想狀態(tài)，是不可能達(dá)到的，因此現(xiàn)實(shí)中就沒有不發(fā)光的物體。即便是黑洞，由于引力原因光無法逃脫，但黑洞仍然在向外輻射能量，只是這種輻射非常微弱，而且黑洞的質(zhì)量越大其輻射越微弱。一個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞，其色溫為0.06172x10^-6K，已經(jīng)極度接近絕對零度。