黑色存在人类是碳基生物。有趣的是,地表存在大量的单元素物质——炭。关于炭,煤炭,人们的第一印象是它是黑的。炭给你留下的视觉效果,可以算是“什么是黑”的直观定义。大自然中存在大量的我们以为是黑色的物质,包括动物和植物,前者有屎壳郎、乌鸦等,后者有黑豆、黑芝麻等。在阳光照耀下,黑色物体格外显眼。那么,到底什么是黑呢?黑首先是一种视觉判断。
今天我们知道,作为碳基生物,我们所拥有的感光器官,能够有效感知的波长范围大约是390~780nm,波长再长了产生神经信号就费劲儿以至于最终看不见,波长再短了单光子就足以产生伤害因此不可以看所以干脆就不看了。可见光波长范围以外的光不可见,似乎不宜谈论它们引起的视觉效果。
黑体辐射研究里的黑体是指对所有频率的入射光都全部吸收且将其全部转化为热的物体。
黑体辐射研究一样牵扯到白体,黑体辐射研究模型里有的就需要白体的存在,比如维恩1893年的论文中就提到了白体。就反射率ρ=1的情形而言,光滑表面把入射光朝着特定的方向反射回去,那样的面是镜面的(spiefelnd, mirror reflective);粗糙表面把入射光向所有方向均匀地反射,这样的面才是“白”的。在用空腔模型研究黑体辐射时,空腔的内表面常常被假设为镜面反射的。
富兰克林的黑布吸热实验
光是人类同远方唯一的连接,光是第一物理对象和工具。光与物质间的相互作用天然地是物理学的主题。太阳给我们带来光和热。从前我们说光,先验地指来自太阳和火苗的可见光,属于视觉,是眼睛的感知;而热属于知觉,是身体的感知。物体在光照下就会变热(后来知道是因为吸收了部分光的缘故)。中国北方的人们冬天喜欢晒太阳,而且知道穿黑棉袄、黑棉裤取暖效果比较好。
历史上有记录的第一个关于黑色物体光吸收的实验观察是美国人富兰克林做的。
富兰克林,一个通才型人物(polymath),仅就学术方面而言,他是作家、科学家、发明家、出版人和哲学家(图2),因对电的研究而在物理学史上占有一席之地。在1736—1737年间某个阳光灿烂的的冬日(笔记记录为1737, January 25),富兰克林把不同颜色的布料块铺在均匀的落雪上。几个小时后,效果出来了。
黑色的布在落雪上面下沉最深,灰蓝色的次之,白色的下降最少。由此富兰克林得出结论,颜色越深的布吸收的热量越多。多年以后,富兰克林写道他还曾用凸透镜(burning glass)汇聚阳光照射白纸和黑纸,发现白纸吸热少,要晚于黑纸许久才会被点燃。