如何理解热辐射的本质？

如何理解热辐射的本质？

（原创新作）《光半导体2：点亮黑暗 ——一段追踪热光、而误入桃园深处的梦幻之旅》

目 录：

一、光的简史上，摇曳的「篝火时代」

二、光的简史下，蜕变的「电光时代」

三、万物发光上，最亮最醇的「黑体」

四、万物发光下，无所不在的「热光」

五、感悟真谛，「热即是光，光即是热」

六、追逐灵魂，「热做加法，光做减法」

正 文：

「有一分热，发一分光，就令萤火一般，也可以在黑暗里发一点光，不必等候炬火。此后如竟没有炬火：我便是唯一的光。」

鲁迅先生的话，总能震耳发聩。放在这里，竟也是可以的。

46亿年来，太阳的光芒照亮着整个太阳系，也推动着地球生命的进化。太阳表面约5800K的温度，决定了其辐射光的峰值，落在0.38μm～0.78μm这一段。进而决定了动物、特别是人类眼睛所能看见的光，也是这一段；还决定了植物的「眼睛」能看到的、即光合作用吸收的红蓝光，还是在这一段。见图1。

3万年前的一个傍晚，山顶洞人在洞口外燃起篝火，干枯的树枝猛烈地燃烧，时不时滴下来的鹿肉的油脂，在火焰中滋滋作响。这让围过来的一大家子的饥肠辘辘的眼神，更加难以平静。可以确定，山顶洞人是喜欢篝火的，篝火带来肉香、带来温暖、带来光明。然而，无法确定的是，在饱腹后的闲暇，他们是否会望着篝火而陷入沉思。

数千年前，油灯和蜡烛，逐渐接替篝火，照亮文明的进程。其实与篝火相比，并没有本质的区别，原来是一大团火焰，变成了一小颗火焰，光线依然摇曳、依然闪烁。

直到140多年前，白炽灯的诞生终于带来了质变，标志着人类文明从「篝火时代」跨进「电光时代」。它的光，既明亮、又稳定，没有火焰、没有烟雾，不消耗燃料，消耗的只是无形的电能。

白炽灯的发明，绝非一个人的天赋，而是一群人的接力。

最具代表性的是英国化学家斯旺，从1850年就开始研发白炽灯，1878年终于推出了样品，灯泡是抽真空的，灯芯是碳化棉丝，见图2示意。并进行了小规模的试用，斯旺的家、伦敦的地标街道与剧院，成为人类第一批被白炽灯照亮的地方，轰动一时。但是，最后的临门一脚，量产与推广，却被大洋彼岸的爱迪生抢了先。

爱迪生1879年开始研究电灯，将碳化棉丝改为为碳化竹丝，灯的寿命显著延长。仅一年之后的1880年，就大批量地生产白炽灯。为什么这么快？其一、爱迪生并不是一个人，他财力雄厚，雇佣了一大批技术员，创建了大型的商业实验室，技术验证与迭代的速度极快。其二，除了白炽灯，同时还改进发电机、建立发电站、架设输电网、发明计电表，即提供的是一整套「照明系统」。故而率先进入千家万户。

所以，更贴近事实的是，斯旺们发明了白炽灯，爱迪生们改进、并推广了白炽灯。当然，如何把新闻编得更具传奇，美国记者最为擅长。之后，更多的人参与改进，最关键的改进有，碳丝改为钨丝，抽真空改为充惰性气体。此后的百余年，白炽灯照亮了人类文明蜕变的进程。

最近的30年来，发光二极管，越来越成为照明的主力。它的发光效率是白炽灯的5倍左右，节能环保。最关键的是，不再是热致发光，而是电致发光、是冷光，不再必备密封玻璃罩，是极小的、一粒一粒的，可以排布成各种形状，或线、或环、或面。

「黑体」，是了解热光的必经之路，也是最便捷的路。

黑体，是热辐射能力的一个极限参照物，是热力学中的一杆满隔的、实用的标尺。因为黑体并不黑，反而是最亮的，是最强的发射体；故以「发射率」为具体刻度值，取黑体的「发射率」为100%，其他物质皆居其下。

黑体炉又是黑体的化身。黑体生于理论，现实中找不到发射率为100%的物质。而黑体炉的发射率很容易达到99%，可以视为理想黑体，也常用作校准光源。其关键，不是材料，而是构造。见图3。一个大的、封闭的空腔，开一个小口，看似简单，实则精妙。

1）一方面是吸收，从小口进入黑体炉的热辐射，一定会被炉内壁吸收，一次吸不全，来回反射几次就吸全了，极少有机会再从小口跑掉，所以有最强的吸收能力。

2）另一方面是发射，炉内壁发出来的热辐射，先填满炉腔，炉腔内的热辐射必定是饱和的、拥挤的，只能从小口逃出去，一定是喷涌而出，所以有最强的发射能力。

3）更进一步，炉腔内的热辐射，不停地被炉内壁再吸收与再发射。像是无数次的「反刍」与「咀嚼」，任何反映材料特征的尖峰线，都会被研磨掉；所以，热辐射的分布曲线，必定是非常光滑的。又像是不断反复揉压的面团，而炉内壁的无数原子的热振动，如同无数个小小的擀面棒在敲打，像模具一样决定了面团的形状；所以，热辐射的分布曲线，决定于、且只决定于炉内壁的原子热振动、即温度，每一个温度都对应着一条唯一的热辐射曲线。见图4。

图4 黑热辐射曲线，每一个温度对应着一条光滑的曲线

所以，黑体炉，是黑体最直观的注释。

强调一点，看作黑体的，不是整个炉子，而只是这个小口。正是整个炉内表面的吸收、辐射能力，都聚集到小口，才造就了小口的黑体特性。

「热光」无所不在，我们一直沉浸其中，即使是在伸手不见五指的黑夜，依然如此。因为，除了看得见的，更多的热光，是红外线，是肉眼看不见的。

1）太阳

太阳辐射实测曲线，与5780K的黑体辐射理论曲线，确实非常吻合，见图5。

难道太阳也是一个黑体炉，炉壁何在，炉口又何在？

微观上，光能都来源于核心区聚变产生的伽马光子，单个能量高达数百万电子伏特。但是，伽马光子到达太阳表面的过程，是曲折的、漫长的；将经历数亿次的吸收与再发射，原本只需2秒的光程，拖成了2万年之久；一路上，一生二、二生三，最后，一个伽马光子变换成了数百万个可见光子。最后一次发射，是在光球层（与氢负离子有关），即太阳可见的边界，再里面就看不到了。

所以，看似没有炉壁，其实整个太阳内部处处都是炉壁。处处都是稠密的等离子体粒子，处处都是光子的吸收与发射中心，且每次发射的方向都是随机的。即，每一个跑出来的太阳光子，都与其祖辈们一代代接力，以光速随机行走，数万年的时间里，必定跑遍了太阳内部的各个角落。

所以，看似没有炉口，其实整个太阳表面都是炉口。太阳密度，越往外越小，中心高达150 , 表面低至0.0001 ，6个数量级的跨度。如同无数张渔网，层层叠叠，网孔由密到疏，纵横错落，网住的是巨量的、现成的、可以用数万年的光，漏出来的那一丁点儿，照亮着整个太阳系。

所以，太阳是黑体，巨大的黑体。

冷酷的宇宙，也有温柔的一面。太阳像慈母般溺爱，耐心地咀嚼，直到把危险的伽马光子都嚼碎为温和的可见光子。又小心翼翼地发光，把到达地球大气层上方的功率，稳稳地定在1367±2瓦每平方米，波动不超过千分之二，呵护着地球之万物生灵。

2）烛光

烛光的发射率，典型值只有约为20%。

加之，蜡烛火焰的温度约1500K，并不高，热辐射的峰值落在2μm附近，离可见光段较远，注定了烛光是昏暗的。

这一点点黑体特性，还是来自于火焰中部炽热的、即将燃烧的、类似于气态的碳颗粒。特点是，火焰较小，碳颗粒较稀，光腔效应较弱，兜不住光子，故而只有二成黑体。见图6。其中关键是，碳颗粒的双重作用，先是被高温加热充当发光载体，然后自己也燃烧掉产热。烛光中，必须同时具备高温和载体，才有较量的光，如强区；在暗区，有载体无高温；在弱区，有高温无载体。

一旦黑体特性较弱，意味着对热辐射的「咀嚼」与「重塑」能力不足，反应物质特征的线谱又有机会冒出来，像一个个的笋尖。如图6所示的烛光实测光谱，在连续谱的基础上，有两根紧挨着峰线，波长分别为766.4nm与 769.9nm，就是钾的特征双线，说明蜡烛中含有不少钾。（钾，在地壳中含量排名第7位，树木中也还有大量钾；钾双线的监测，常用于管控森林火灾、木材加工厂粉尘爆炸。）

3）白炽灯

白炽灯的发射率，典型值约为50%。

特别是钨丝的双螺旋形状，又进一步提升了发光效率。常见的解释是，双螺旋形状使热量更集中，灯丝温度更高，故而更亮；其实，还可以从炉子的角度分析，双螺旋工艺，恰恰就旋出了一个简易的炉腔，有一定的囤积光的能力，故而更接近一点黑体，发射率更高一些。见图7。

但是，发光效率依然只有约3％，这是白炽灯等热光源固有的缺陷。2500K的灯丝温度，决定了其光谱的峰值落在了1.15μm的近红外段，不在可见段，可见光只是其中很窄的一小段。

4）人体

人体，也是极好的黑体，人体皮肤的发射率高达98%。

而且，与皮肤的颜色无关，黑、黄、白都一样。因为，人体的热辐射，不在可见光段，而在中红外段 ；按体表温度33.5℃计算，辐射峰值波长约为10μm，与可见段0.38um~0.78um相隔甚远。微观上的落脚点，主要在于水，我们皮肤的七成都是水，而水分子的海量的热运动模式（震动、转动、形变）对应的能量，恰好主要落在红外段。

每当黑夜来临，人就是一个行走的、亮闪闪的大灯泡，热辐射功率约750瓦，很大，相当于5个客厅大灯。借助红外摄像仪，可以直观地感受到，人不仅可以照亮自己，还可以照亮周遭。见图8。

人的眼睛看不到红外之光，但是人的皮肤，能够感觉到红外之冷热，而且非常敏感。敏感，其实是在提醒我们，要及时保暖或降温，否者，容易失温或中暑。简单的计算，就能发现关键之处。

人体散热：总共800瓦，其中，热辐射发射750瓦，呼吸、汗发与对流小计50瓦。

人体吸热：总共800瓦，其中，环境热辐射吸收700瓦，自身新陈代谢产热100瓦。

（计算条件：人的表面积取1.7 ，考虑衣服覆盖后体表温度取为25℃，室内环境温度20℃ ）

人是恒温动物，总收支相同，这是必须的。关键的是，不管是散热，还是吸热，热辐射都是绝对主导，都占了约九成，其他的、即人的生物作用都只占约1成。

所以，人体恒温在310K（即37℃）的关键，并不是人自身的动态调节能力，那只是微调罢了，而是相对稳定的、较高的环境温度，我们时刻浸泡在这293K左右的红外光子之气体中 。故，轻易踏足荒郊野岭，若遇极端天气，极易发生失温悲剧。

从太阳到烛光、从白炽灯到人体，再到周遭的万物，都在发光。发光是自然的、普遍的。

长期以来，想当然地以为：热是热，光是光，热和光是两个不同的东西。

但是，在最近的这几周里，在对「热光」的思考与咀嚼的过程中，逐渐感觉到，热与光的界限逐渐模糊、联系逐渐紧密。被物质吸收、变成微观粒子的不规则震动是热；辐射出来的是热辐射，是电磁波，是光。每一个原子，吸收后可以立刻再辐射，辐射后可以立刻再吸收，不断地吸收，又不断地辐射；如同秀峰的龙潭，一边持续地进水，一边持续地放水。

并且，这交替反复的收发，不仅仅发生在表面，还发生在内部的每一个角落。即使内部原子可以通过电场力直接传递振动，但是热辐射的收发依然普遍存在。

直观的例子，就是烧玻璃球。刚出炉的大玻璃球，温度约800℃，呈温润的橘黄色，基本不透明；但是看不出清晰的表面边界，因为除了最表层的光，浅表层的光也透了出来，两层光混在一起，模糊了边界。慢慢的自然冷却，最外层先冷却固化、变为无色透明、同时表面边界也清晰起来，而球形的、橘黄的、模糊的发光边界，缓缓向内收缩，直到整个玻璃球都固化、都透明、都不再发可见光。玻璃球的固化过程，让我们可以直接看到内部的热辐射。见图9。

此时，热，是即将辐射的光；而光，是即将吸收的热。

热能，天然的易散失。一壶开水，就算用保温瓶，一天也就凉了。不像化学能，存于化学键中，化而为「物」，如干燥的木材，保存上百年不是问题，又如地下的煤、石油、天然气，可以保存数万年。更不像核能，存于原子核内，化而为「质」，如太空中四处散落的氢，可以保存数亿年。而，热能，既不能化为「物」，也不能化为「质」，只是临时的寄存于现有物质，像是匆匆的过客。再细致一些，光子在内部相近的原子之间来回穿梭，与其说是原子吃掉、消化了光子，不如说是光子寄生在原子体内、胁迫着原子做无规则的热振动。如同公牛背上的斗牛士，驯服不了公牛，只能随着公牛乱蹦跶，公牛还随时能挣脱。

此刻，聚落成热、散驰为光，「热即是光，光即是热」。

如何保住热量？

用更多的热来包裹热，让光子有做不完的客。即，抱团取暖、增大规模。

（尺寸越大，体积表面比越大，体积是尺寸的立方，表面积是尺寸的平方。）

例如，南极的帝企鹅，唯有紧紧地挤成一片，才能抵御暴风雪的寒冷。又如地球，因为尺寸足够大，聚热足够多，地壳下的高温岩浆活动可以一直持续下去。反面的例子，就是火星，体积不到地球的六分之一，热量存得少、散得相对快，地下岩浆活动只持续了前30亿年，冷却掉了，成了一颗没有动静的死星。

先透过光，感觉热，感觉更丰富的热。

对于热，忽然有一种感觉，越来越强烈。

温度，反映的物质内部大量微观粒子的平均热运动能量，只是一个简单的、可变化的点，是一维的。而，与温度一一对应的「黑体辐射曲线」，细化到了各个波段的辐射强度分布，是二维的。

所以，完全可以这样来描述：

热的一维度量，是「温度」。

热的二维度量，是「黑体辐射曲线」。

这样，热、温度、黑体辐射曲线，此三者的关系，一下子变得清晰了。同时，热力学单调的物理图景，一下子丰富起来、有了层次感。见图10。

一维的温度，更显著、更简单、更粗暴，主要面向宏观。温度是热能的化身，驱动着三代动力源，蒸汽机、内燃机、汽轮机，驱动着文明的列车滚滚向前。

二维的黑体辐射曲线，更隐蔽、更全面、更本质，主要面向微观。黑体辐射曲线，不仅可以同时从两个方面表征着温度，更像是一面薄纱，薄纱之下若隐若现的，首先是量子世界的魅影，意味着文明的厚度又上了一个大台阶。

此时，若隐若现的，还有热的灵魂。

再通过热，看见光，看见更真实的光。

光发于万物，又落于万物，反反复复，想走就走，想来就来，如此普遍，如此随意。

光，为何如此特殊?

因为，光是「四无粒子」。

1）无电荷，故而不受电场力的牵绊；

2）无质量，故而不受辎重的拖累；

3）无动量，故而不受动量守恒定律的拘束；

（常见的多为低能光子，相对论质量、动量极小，均可忽略）

4）无竞争，光子不是费米子，不受泡利不相容原理的约束，不用竞争占位，可以肆意扎堆。

所以，光子，最是无牵无挂、无拘无束，最是三心二意。注定了，光子处处可落脚，转瞬又不见踪影。曾以为，光子的归宿是电子、是原子；现在看来，光子的宿命，是一直在路上、一直在飞驰。光子，既遍布于每一物质的内部，又遍布于整个浩渺的宇宙。

光，以「最大的无」，反而成就了「最大的有」。

每一个光子，因为「极致的无」，都拥有了极致的敏捷与灵动。

大量的、成群结队的光子，因为「致无致有」，可以排布出各种最严格的、最美妙的、最具灵魂的群舞。黑体辐射分布，即热的二维表达，便是其中的一场。

热光，本是暖场的配角，却霸占了整篇。它，点亮了一片认知的黑夜，带来了不敢想象的感悟。

1）回望热光的历史。数万年的篝火、数千年的烛光、百余年的白炽，接替照亮着文明的加速进程。其中，白炽灯的诞生，不是一个人的独奏，而是众人的接力；还原更真实的历史，鼓舞更多的、勤恳的未来之脊梁。

2）探究热光的基石。黑体炉的炉腔，看似空空，实则饱满，满是整备待发的光子，满是珍藏待掘的真理。

再由黑体到具体：发现了太阳无形的炉腔与炉口、以及慈母般的博爱；发现了烛光中炭颗粒的双重作用、以及钾双线；发现了白炽灯双螺旋的妙处；还发现了人体热能力的渺小、以及对环境的强依赖。万物发光，处处不见黑体，处处皆有黑体的影子，亦如处处皆有光。

3）感悟热光的真谛。热与光的关系，不是简单的前后脚的关系，吸光为热，散热为光；而是更进一步，聚落成热，散驰为光，热即是光，光即是热。

4）追逐热与光的灵魂。从温度的一维，展开到黑体辐射分布的二维，热的灵魂也随之浮现。光，落于万物、发于万物、来去自如，追本溯源，是「无」，无质量、无电荷、无动量、无竞争；以「大无」成「大有」，以「致无」成「致有」。

在被热光牵引的这个初秋，我有幸进一步认识了黑体、认识了热、也认识了光。耳边又响起鲁迅先生的话，隐约还有光子吟唱的和声：

「悄悄的我走了，正如我悄悄的来；我挥一挥衣袖，不带走一片云彩。」

木旦文 @木旦文

2024年秋分 广州

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