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加热一块金属，随着温度不断升高，请想想会发生什么现象？没错，升到一定温度后，这块金属就会开始发光，起先是暗红色光芒，然后逐渐明亮，最后达到白热状态。
物理学家将这个现象泛称为“黑体辐射”(blackbody radiation)，由于这个名词很不亲民，在讲故事之前，有必要稍加解释一番。
先从“辐射”讲起，其实只要明白“辐”的意思，这个名词就不难理解。“辐”的本意是连接(木制)车轮边缘和中心的那些棍子，例如《老子》中就有“三十辐共一毂”这样的说法。根据这个图像发想，辐射自然就是指(某种能量)向四面八方发射，因此我们大可将涟漪称为“水波的辐射”。
木制车轮，在此为“十四辐共一毂”就黑体辐射而言，金属既然亮了起来，辐射出的想必是光波。不过早在发光之前，金属已经悄悄射出看不见的电磁波，也就是所谓的红外线。在“电磁波家族”中，红外线之所以称为“红外”，正是因为它的波长超过红光，所以排在红光之外。必须强调的是，当金属升温到发红时，并不代表红外线消失了。正确的说法应该是，这时金属发射的电磁波主要仍是红外线，但红光这个“配角”已经开始露脸。如果温度继续上升，一旦红光变成主角，红外线便会退居配角。当然，其他的色光这时也是配角，不过只要温度不断上升，它们就会依照橙、黄、绿、蓝、靛、紫的顺序陆续担任主角。接着再来解释“黑体”这个词，这里的“黑”是指电磁波的吸收率百分之百，因此勉强也能顾名思义。既然金属并非纯黑，代表它吸收电磁波的效率稍差，因此可称之为“不太理想的黑体”。
黑体辐射“强度vs.波长”曲线，明显呈现黑体温度与峰值波长的相依趋势●量子摇篮早在十九世纪中叶，物理学家就对黑体辐射产生兴趣，可是四十年下来，始终未能成功解释这个现象。为什么呢？问题主要出在众多的配角身上。不论金属多冷或多热，其实都能辐射各种波长的电磁波，只是“主角”会随着温度而变。例如1000℃左右的金属发出的电磁波，主角是波长约2300纳米的红外线;5000℃左右的金属，主角则是大约550纳米波长的绿光。换句话说，不论在哪个温度下，黑体辐射都包含了所有的波长，其中一个波长是辐射强度最高的主角，而其他的波长都是配角。如果我们只关心主角，那么问题并不太难，但若想画出完整的“强度vs.波长”曲线，在公元1900年之前，没有任何物理学家做得到。原因很简单，黑体辐射牵涉到了量子物理效应，光用古典物理(力学+电磁学+热力学)当然不能圆满解释。不过请注意，这么说是标准的后见之明。当时绝大多数的物理学家都相信古典物理足以解释万事万物，因此在他们想来，黑体辐射逃不出它的手掌心，于是大家不知不觉都走入了死胡同。
75岁的普朗克●量子之父？相信很多人都知道，后来是德国物理学家普朗克(Max Planck， 1858-1947)解决了这个问题，他也因此被尊称为“量子物理之父”。然而其中有许多曲曲折折，却是教科书和一般科普书不会提到的。举例而言，普朗克研究黑体辐射的动机便是最常见的迷思。一般文献都说他是为研究而研究，亦即解决黑体辐射之谜就是他的目标，其实并非那么回事。对普朗克而言，研究这个问题只是手段(或曰示范)，他真正关心的是一个更深刻的问题：如何将热力学从力学系统推广到电磁学系统。如果你觉得这个说法很新鲜，或许是因为你不知道热力学正是普朗克的本行。但为了避免越扯越远，在此就不深究他的背景了，让我们赶紧回过头来，把焦点放在那些曲折上。曲折一：在〈谁赢不了〉这篇文章中曾经强调，所谓的“波兹曼公式”与“波兹曼常数”事实上都是普朗克发明的。然而恐怕你想不到，普朗克原本是站在波兹曼的对立面，反对任何使用原子论的学说。直到深入研究黑体辐射，他才逐渐改变观点，最后彻底倒戈，成了波兹曼的坚定拥护者，进而将其学说发扬光大。曲折二：黑体辐射的正确公式诞生于1900年十月，不过，那是普朗克根据他人的实验结果，用不正规的方法硬凑出来的答案。接着他又废寝忘食努力了近两个月，才终于用理论物理推导出这个公式，并于12月14日在德国物理学会正式发表(这便是上述“波兹曼公式”与“波兹曼常数”的出处)。因此之故，有不少人将这一天视为量子物理的生日。曲折三：其实普朗克对上述成果并不满意，因为在推导过程中，他用了一个从波兹曼那儿借来的数学技巧：假设能量是离散的。要知道在那个时代，包括波兹曼与普朗克在内，物理学家一律认为这类假设只是计算过程中的权宜之计。但奇怪的是，如果不用这个假设，却又无论如何得不到正确的公式。因此，普朗克怀疑这个数学技巧背后隐含某种物理意义，花了许多年的时间在古典物理中寻寻觅觅，结果想当然是徒劳无功。曲折四：如今我们用后见之明，还能发现在普朗克的推导中，隐藏着一个极其幸运的巧合，那就是有两个错误观念彼此对消，才出现了负负得正的结果。不过其中的细节稍嫌深奥，在此就不详加解释了。总而言之，正是由于这些曲折，少数科学史家并不承认1900年是量子物理元年。虽然这并不是主流的声音，但在这个阵营中有一位赫赫有名的人物──典范转移理论的发明人孔恩(Thomas Kuhn， 1922-1996)，因此谁也不敢小觑这个观点。倘若你问孔恩，量子物理是何时诞生的？他会斩钉截铁地告诉你：五年后！●从量子到光子公元1905年三月，爱因斯坦完成〈关于光之产生与转化的启发性观点〉这篇论文，用一种崭新(而且完全正确的)观点，重新诠释普朗克的理论。爱氏的方法相当巧妙，他先用电磁学和热力学的理论，算出黑体辐射中某个极高频率(亦即极短波长)所具有的熵，由于得到的式子十分类似“理想气体的熵”，爱氏因此大胆假设：就某方面而言，高频电磁波很像气体，也是由许许多多“微粒”组成的。(组成气体的微粒当然是气体分子;组成电磁波的微粒则是如今我们所谓的光子。不过请注意，分子假说在当时还不是科学界的主流观点，而“光子”更是十多年后才出现的名词，当年爱氏在论文中称之为“光量子”。)在这个观点之下，离散的能量总算有了物理意义，它就是每个光子携带的能量。普朗克后来荣获1918年诺贝尔物理奖，得奖的原因是“发现能量的量子”，这个符合史实的官方说法可说拿捏得恰到好处。然而三年后，当诺贝尔物理奖委员会终于决定颁奖给爱氏，原因则是为了表彰“他对理论物理学的贡献，尤其是发现光电效应背后的物理律。”(他俩获颁的其实都是前一年的物理奖，请参考〈爱因斯坦之最〉。)如今看来，这个官方说法实在是保守得过分了。“光电效应背后的物理律”当然是光子，可是光子的适用范围却远不止光电效应。例如想要完美地解释黑体辐射，就必须像爱氏那样请光子出马。此外，在著名的康普顿实验中，光子更是不可或缺的角色，不过那当然是另一个故事了。注一：电磁波是个大家族，成员可根据频率或波长分成七大支(共通点是波速=光速=频率乘波长)。若根据频率大小排列，这七支依次为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。不过这些划分相当人工化，并没有明确的分界，正如可见光组成的“彩虹”其实是一种连续分布。注二：“光电效应”(photoelectric effect)与“光电工程”(optoelectronics)并没有直接关系，前者指称“金属受到光束照射而射出电子”的物理现象，后者则泛指“牵涉到光学的电子学”，因此也称为“光电子学”。注三：在1905年那篇论文的前言，爱氏写了这么一句话：“在我看来，如果使用‘空间中的光能量分布是不连续的’这个假设，那么凡是有关光的发射与转化的现象，包括黑体辐射、光致发光，以及紫外光产生阴极射线等，都能得到较佳的解释。”其中“紫外光产生阴极射线”正是现在所谓的光电效应，由此可知它只是爱氏论文中的一个例子，并非该文的主要内容。
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