01
黑色存在
人類是碳基生物。有趣的是，地表存在大量的單元素物質——炭。
關於炭，煤炭，人們的第一印象是它是黑的。炭給你留下的視覺效果，可以算是
「什麽是黑」
的直觀定義。
大自然中存在大量的我們以為是黑色的物質，包括動物和植物，前者有屎殼郎、烏鴉等，後者有黑豆、黑芝麻等。
在陽光照耀下，黑色物體格外顯眼。那麽，到底什麽是黑呢？
黑首先是一種 視覺判斷 。
今天我們知道，作為碳基生物，我們所擁有的感光器官，能夠有效感知的波長範圍大約是390~780nm，波長再長了產生神經訊號就 費勁兒 以至於最終看不見，波長再短了單光子就足以 產生傷害 因此不可以看所以幹脆就不看了。
可見光波長範圍以外的光不可見，似乎不宜談論它們引起的視覺效果。
知道有紅外光讓人很驚喜。
1681年法國物理學家馬略特（Edme Mariotte, 1620—1684）發現 玻璃阻擋熱放射線 ；1800年英國天文學家赫胥黎 （W illiam Herschel, 1738—1822）根據溫度計探測到的熱效應發現 紅外光 。
讓我們暫且把討論集中於波長在390~780nm範圍內的所謂可見光。
光要想為我們所感知，除了波長要落在 可見光範圍 以外，還要有足夠的 強度（流密度 ）。
減弱可見光的強度到一定程度，我們就有了 暗（dark，dim） 的感覺。
訊號強度小到一定程度難以被探測到，這是個普遍的問題，對應儀器的探測極限。可見光強度接近人眼的探測極限，就會有「暗」的感覺。
為了應對弱光環境，人眼裝備了兩種視覺細胞（photoreceptor cells），在弱光環境下人眼會從 視錐細胞（cone cells） 切換到 視桿細胞（rod cells） ，這就是為什麽人處暗室一段時間後會發現變明亮了一些的原因。
暗，常常和黑混在一起，有黑暗之說。
沒有人工照明的地方，黎明前有一段最黑暗的時光，有「伸手不見五指」的說法。
然而，暗不是黑，黑色的東西可以很亮的。暗的物體則看不見。
黑，更多地是指向 物體的內容 。
考察一塊均勻的、表面光滑的固體，其對入射光（只考慮可見光）的行為可以由透過率（transmission）τ、吸收率α和反射率ρ來表征，
ρ+α+τ=1
透明物體 對應α=0，ρ≈0 ，τ≈ 1 ； 白體 （white body）對應ρ=1 ，α=0 ，τ=0 ；所謂的 黑體 對應α=1 ，τ=0 ，ρ=0 。
但是，這些只是粗淺的理解。
黑體放射線研究裏的黑體是指對所有頻率的 入射光都全部吸收且將其全部轉化為熱 的物體。
黑體放射線研究一樣牽扯到白體，黑體放射線研究模型裏有的就需要白體的存在，比如維因1893年的論文中就提到了白體。
就反射率ρ=1 的情形而言，光滑表面把入射光朝著特定的方向反射回去，那樣的面是 鏡面 的（spiefelnd, mirror reflective）； 粗糙表面把入射光向所有方向均勻地反射，這樣的面才是 「白」 的。
在用空腔模型研究黑體放射線時，空腔的內表面常常被假設為鏡面反射的。
類似ρ + α+τ=1 這樣的公式所表達的是算術，而非真實的物理。
反射率反映的是物體表面的性質，嚴格地說是 同空氣間的界面的性質 ；因為涉及兩種物質的界面，原則上不可能。
吸收行為 則是由材料的體性質（bulk property）和幾何共同決定的。 至 於 透過率 ，那只是τ=1 -ρ- α 的算術結果。
一塊材料的吸收能力（absorptance）反映其吸收放射線能量的有效性，用 吸收能量對入射能量之比 來表示。
考察光在物體中的傳輸，入射強度為 的光，在距離表面 處強度衰減為 ， 透過率為 T=I f /I 0 則-InT就是所謂的absorbance。
如果強度衰減只是由吸收造成的（不考慮散射因素），-In T= μd，此處的 就是吸收系數（absorption coefficient），它是材料的本征體性質。
當一束光照射到一塊物體（假設是固體，不發光——這個說法在學過黑體放射線以後會發覺不對）上時，光會被反 射、吸收（可能還會引起再發射），一部份會透過去。
一塊物體，從後面的來光如果 不能穿過 這個物體進 入我們的眼睛，則它在亮的背景下就可能被判斷為黑色的，給人以黑色的印象；從我們所在的這一側射出去的光打到這樣的物體的表面上，如果有一部份 被反射 ，則它會給人以黑亮黑亮的感覺。
不透可見光意味著材料對可見光有強烈的吸收，則材料的能隙要小於1.5eV，或者其等離激元頻率要高於4×10 Hz。
常見的無定形炭對可見光有強烈的吸收，是黑的，故有黑碳一說（可見光吸收率可達0.96）。
炭的一種sp -鍵結合的晶體，石墨，其帶隙約為負的0.04eV，為半金屬，對紅外光都能全面地強烈吸收，因此它更黑。
但是，石墨晶體對可見光有強烈的反射，故高品質的石墨晶體帶有金屬光澤。
近年來超黑材料（superblack materials）的研究方興未艾，其關鍵是把窄帶隙材料的表面加以 無序化、粗糙化以消除反射 。
既不透光也不反射光的物體那是超級黑了 。
當前所獲得的超黑材料，比如黑矽，對可見光的反射率已幾乎為零，其黑色艷得邪惡（圖1）。
▲ 圖1 不同程度的黑。左圖：幾乎不透光但反光的石墨晶體；右圖：恐怖的超黑材料
順便提一句，黑和暗在物理學上被用來給許多事物，真實的與虛無的，貼標簽。
關於夜的暗（darkness），在天體物理領域有歐伯斯（Heinrich Olbers, 1758-1840）佯謬（Olbers’ paradox）的說法。
設若宇宙是無限的、靜態的，在大尺度上是均勻的且有無窮多的恒星，則在任何方向上我們都能看到恒星，不應該出現背對著太陽的地球那一面會出現暗夜的現象。
這個存在暗夜的事實同宇宙模型之間的矛盾被稱為 歐伯斯佯謬 。關於歐伯斯佯謬的解釋，各種動態宇宙模型也不是那麽令人信服。
02
富蘭庫林的黑布吸熱實
光是人類同遠方唯一的連線，光是第一物理物件和工具。
光與物質間的交互作用天然地是物理學的主題。
太陽給我們帶來光和熱。
從前我們說光，先驗地指來自太陽和火苗的可見光，屬於 視覺 ，是眼睛的感知；而熱屬於 知覺 ，是身體的感知。
物體在光照下就會變熱（後來知道是因為吸收了部份光的緣故）。
中國北方的人們冬天喜歡曬太陽，而且知道穿黑棉襖、黑棉褲取暖效果比較好。
歷史上有記錄的第一個關於黑色物體光吸收的實驗觀察是美國人富蘭庫林做的。
富蘭庫林，一個通才型人物（polymath），僅就學術方面而言，他是作家、科學家、發明家、出版人和哲學家（圖2），因對電的研究而在物理學史上占有一席之地。
▲ 圖2 富蘭庫林畫像（1778）
在1736—1737年間某個陽光燦爛的的冬日（筆記記錄為1737, January 25），富蘭庫林把不同顏色的布料塊鋪在均勻的落雪上。
幾個小時後，效果出來了。 黑 色的布在落雪上面下沈最深，灰藍色的次之，白色的下降最少。
由此富蘭庫林得出結論，顏色越深的布吸收的熱量越多。
多年以後，富蘭庫林寫道他還曾用凸透鏡（burning glass）匯聚陽光照射白紙和黑紙，發現白紙吸熱少，要晚於黑紙許久才會被點燃。
富蘭庫林很可能是讀了波義耳（Robert Boyle, 1627—1691）、牛頓和博爾哈夫（Herman Boerhaave, 1668—1738）等人關於光與熱的作用的闡述受到啟發的。
這個實驗小孩子都能做，但關鍵是想到要做這樣的實驗[參見I. B. Cohen, , Harvard University Press（1990）, Chapter 9; N. G. Goodman（ed.）, , University of Pennsylvania Press（1931）, p.181]
。富蘭庫林的實驗只能說觀察到了同樣日照條件下黑布下面的雪融化得更多。
說黑布吸收了更多的熱，在當時這句話是夠含糊的，因為啥是熱，如何定量地描述熱還需要更多的研究。
有趣的是，相當多修完熱力學課程的人對什麽是熱依然懵懂。
不同顏色的物體在陽光下變熱的程度不同，黑色的物體在陽光下容易變熱，應該早已為人們所認識並加以套用。
北方人冬天喜歡穿黑衣，因為 黑布吸收陽光能力強 因而更暖和；夏日裏的南方陽光火辣，人們會選擇穿白色服裝，因為 白色物體反光能力強 。
然而，一個問題來了。如果選擇白色服裝可以有效反射陽光以免升溫，那為什麽熱帶的人膚色黢黑而不是選擇白色皮膚呢？
簡單的「是被曬黑的」這樣的解釋略顯淺薄。
未來我們會知道，
黑色物體的發射能力強
。
作為一個自身必須持續散熱的生命體，在外部高溫的環境下，如何有效地散熱才是重要的考量。
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來源：墨子沙龍
編輯：悅悅
