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►1862 年，德國物理學家克希荷夫提出了「黑體」的概念：黑體既是完美的熱吸收體，也是個完美的熱輻射體，它能吸收100％的入射輻射，且發出的輻射能量比同溫度下的任何其它物體相同或更多。
►科學家對黑體進行了許多理論研究，著名理論包括「斯特凡－波茲曼定律」、「維因位移定律」、「普朗克理論」、「瑞利－金斯定律」。
►在1905 年，愛因斯坦提出「光具有粒子性」的構想，發現這個能量正好就是普朗克公式中提到的 ε=hν，量子力學也自此誕生。

無論組織多麼完美，科學新概念永遠不會來自一個公共機構，而是來自一個受個人啟發之研究人員的頭腦。他在孤獨思考中與他的問題鬥爭，並將所有的思考集中在一個點上——他當時的整個世界。
－普朗克（Max Planck）
（量子物理革命先驅，1918 年諾貝爾物理獎得主）

人對熱的感受是與生俱來的一種本能，因此在我們探討大自然的過程當中，「熱之謎」一直占有很重要的地位。話雖如此， 科學家開始了解到熱的本質時已經是19 世紀中期，引發熱力學（thermodynamics）的發展。時至今日，熱力學不只是物理學上的一大分支，在應用上的角色更是不容忽視，是許多工程學系的必修課程。

在《科學月刊》第147 期〈熱力學與能源利用〉一文裡，筆者在介紹它的發展歷程後，接著說明「能源危機」的實際意義，以及分析幾種常見的能源利用機器，如蒸汽機、冷氣機的效率。這透過邏輯、用兩個其貌不揚的「假設」⸺能量不滅定律及熱只能自動地由高溫往低溫流⸺所發展出來的熱力學，在20 世紀初的物理革命裡，不像受到挑戰的牛頓力學和電磁學，不但絲毫未損，反而成為了近代物理學發展的功臣。在這篇文章中，我們將離開實用的熱力學，探討它在推動量子物理學誕生所扮演的角色。

輻射定律與黑體定義

德國物理學家克希荷夫（Gustav Kirchhoff）與化學家本生（Robert Bunsen）合作建立了光譜分析理論：克希荷夫透過化學技術分析加熱材料所發出的光，藉此確定了太陽含鈉成分。1859 年，克希荷夫在研究各種物質發射和吸收輻射的方式後，提出了「克希荷夫熱輻射定律」（Kirchhoff's Law of Thermal Radiation）：
1. 介質會發射、吸收特定波長的可見光或熱輻射。
2. 介質的吸收能力和發射能力成正比，也就是如果物體為某個波長的良好吸收體，它也將是該波長的良好輻射體。
3. 不透明的熱固體、液體或氣體會吸收或產生連續光譜。

1862 年，克希荷夫提出了「黑體」（blackbody）的概念：該物體既是完美的熱吸收體，能夠吸收100％的入射輻射；也是完美的熱輻射體，發出的熱輻射能量比同溫度下的其他物體相同或更多。

1880 年代，德國工業界決定開發比英國和美國等競爭對手更高效率的照明工具，於是開始著手推導測量加熱物體的完整光譜，並於1887 年成立了「帝國物理技術學院」（Physikalisch-Technische Reichsanstalt）專門負責黑體光譜的相關研究。到1900 年，藉由多位德國科學家的研究，如魯本斯（Heinrich Rubens）、庫爾克鮑姆（Ferdinand Kurlkbaum）、普林斯海姆（Ernst Pringsheim），以及盧默（Otto Lummer）等人，實驗物理學家可以說已經完全清楚了從紫外線到可見光再到紅外線的整個光譜。

黑體的熱輻射光譜與物體的形狀或成分完全無關，只與它的絕對溫度（Kelvin, K）有關。理論物理學家對這種通性非常感興趣。因此隨著實驗黑體光譜不斷地改善，物理學家們也開始試圖尋找一個理論來解釋它。

黑體輻射光譜的理論研究

自1700 年代以來，科學家就明白兩個物體間的熱交換並不是完全取決於溫差。維也納大學（University of Vienna）的物理學家斯特凡（Josef Stefan）分析了許多實驗數據後，發現如同先前所推測，大部分熱量確實會通過傳導散失；在去掉這些傳導熱量、重新分析數據後，斯特凡於1879 年提出了熱量的輻射轉移會與溫度的四次方成正比的概念。此模型雖然遭到一些質疑，未被同事廣泛接受，但他以前的學生奧地利物理學家波茲曼（Ludwig Boltzmann）卻深信不疑。1884 年，已經在奧地利格拉茲大學（University of Graz）當教授的波茲曼結合當時電磁波壓力的新穎想法，將輻射視為一種「氣體」，透過熱力學成功且輕鬆地證明了黑體輻射的總能量與其溫度的四次方成正比的T 4 定律，稱為「斯特凡－波茲曼定律」（Stefan–Boltzmann law）。

當時任職於帝國物理技術學院的德國物理學家維因（Wilhelm Wien），認為熱輻射可以用熱力學來處於1893 年從處於熱平衡狀態的光波空腔絕熱膨脹，透過熱力學導出了「黑體輻射光譜的峰波波長與其溫度成反比」的「維因位移定律」（Wien's displacement law）。……【更多內容請閱讀科學月刊第631期】