1911年諾貝爾物理獎：威廉・維因

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。

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。