01
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。
知道有红外光让人很惊喜。
1681年法国物理学家马略特（Edme Mariotte, 1620—1684）发现 玻璃阻挡热辐射 ；1800年英国天文学家赫胥黎 （W illiam Herschel, 1738—1822）根据温度计探测到的热效应发现 红外光 。
让我们暂且把讨论集中于波长在390~780nm范围内的所谓可见光。
光要想为我们所感知，除了波长要落在 可见光范围 以外，还要有足够的 强度（流密度 ）。
减弱可见光的强度到一定程度，我们就有了 暗（dark，dim） 的感觉。
信号强度小到一定程度难以被探测到，这是个普遍的问题，对应仪器的探测极限。可见光强度接近人眼的探测极限，就会有「暗」的感觉。
为了应对弱光环境，人眼装备了两种视觉细胞（photoreceptor cells），在弱光环境下人眼会从 视锥细胞（cone cells） 切换到 视杆细胞（rod cells） ，这就是为什么人处暗室一段时间后会发现变明亮了一些的原因。
暗，常常和黑混在一起，有黑暗之说。
没有人工照明的地方，黎明前有一段最黑暗的时光，有「伸手不见五指」的说法。
然而，暗不是黑，黑色的东西可以很亮的。暗的物体则看不见。
黑，更多地是指向 物体的属性 。
考察一块均匀的、表面光滑的固体，其对入射光（只考虑可见光）的行为可以由透过率（transmission）τ、吸收率α和反射率ρ来表征，
ρ+α+τ=1
透明物体 对应α=0，ρ≈0 ，τ≈ 1 ； 白体 （white body）对应ρ=1 ，α=0 ，τ=0 ；所谓的 黑体 对应α=1 ，τ=0 ，ρ=0 。
但是，这些只是粗浅的理解。
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。
类似ρ + α+τ=1 这样的公式所表达的是算术，而非真实的物理。
反射率反映的是物体表面的性质，严格地说是 同空气间的界面的性质 ；因为涉及两种物质的界面，原则上不可能。
吸收行为 则是由材料的体性质（bulk property）和几何共同决定的。 至 于 透过率 ，那只是τ=1 -ρ- α 的算术结果。
一块材料的吸收能力（absorptance）反映其吸收辐射能量的有效性，用 吸收能量对入射能量之比 来表示。
考察光在物体中的传输，入射强度为 的光，在距离表面 处强度衰减为 ， 透过率为 T=I f /I 0 则-InT就是所谓的absorbance。
如果强度衰减只是由吸收造成的（不考虑散射因素），-In T= μd，此处的 就是吸收系数（absorption coefficient），它是材料的本征体性质。
当一束光照射到一块物体（假设是固体，不发光——这个说法在学过黑体辐射以后会发觉不对）上时，光会被反 射、吸收（可能还会引起再发射），一部分会透过去。
一块物体，从后面的来光如果 不能穿过 这个物体进 入我们的眼睛，则它在亮的背景下就可能被判断为黑色的，给人以黑色的印象；从我们所在的这一侧射出去的光打到这样的物体的表面上，如果有一部分 被反射 ，则它会给人以黑亮黑亮的感觉。
不透可见光意味着材料对可见光有强烈的吸收，则材料的能隙要小于1.5eV，或者其等离激元频率要高于4×10 Hz。
常见的无定形炭对可见光有强烈的吸收，是黑的，故有炭黑一说（可见光吸收率可达0.96）。
炭的一种sp -键结合的晶体，石墨，其带隙约为负的0.04eV，为半金属，对红外光都能全面地强烈吸收，因此它更黑。
但是，石墨晶体对可见光有强烈的反射，故高品质的石墨晶体带有金属光泽。
近年来超黑材料（superblack materials）的研究方兴未艾，其关键是把窄带隙材料的表面加以 无序化、粗糙化以消除反射 。
既不透光也不反射光的物体那是超级黑了 。
当前所获得的超黑材料，比如黑硅，对可见光的反射率已几乎为零，其黑色艳得邪恶（图1）。
▲ 图1 不同程度的黑。左图：几乎不透光但反光的石墨晶体；右图：恐怖的超黑材料
顺便提一句，黑和暗在物理学上被用来给许多事物，真实的与虚无的，贴标签。
关于夜的暗（darkness），在天体物理领域有奥伯斯（Heinrich Olbers, 1758-1840）佯谬（Olbers’ paradox）的说法。
设若宇宙是无限的、静态的，在大尺度上是均匀的且有无穷多的恒星，则在任何方向上我们都能看到恒星，不应该出现背对着太阳的地球那一面会出现暗夜的现象。
这个存在暗夜的事实同宇宙模型之间的矛盾被称为 奥伯斯佯谬 。关于奥伯斯佯谬的解释，各种动态宇宙模型也不是那么令人信服。
02
富兰克林的黑布吸热实
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。
▲ 图2 富兰克林画像（1778）
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。
富兰克林很可能是读了波义耳（Robert Boyle, 1627—1691）、牛顿和博尔哈夫（Herman Boerhaave, 1668—1738）等人关于光与热的作用的阐述受到启发的。
这个实验小孩子都能做，但关键是想到要做这样的实验[参见I. B. Cohen, , Harvard University Press（1990）, Chapter 9; N. G. Goodman（ed.）, , University of Pennsylvania Press（1931）, p.181]
。富兰克林的实验只能说观察到了同样日照条件下黑布下面的雪融化得更多。
说黑布吸收了更多的热，在当时这句话是够含糊的，因为啥是热，如何定量地描述热还需要更多的研究。
有趣的是，相当多修完热力学课程的人对什么是热依然懵懂。
不同颜色的物体在阳光下变热的程度不同，黑色的物体在阳光下容易变热，应该早已为人们所认识并加以应用。
北方人冬天喜欢穿黑衣，因为 黑布吸收阳光能力强 因而更暖和；夏日里的南方阳光火辣，人们会选择穿白色服装，因为 白色物体反光能力强 。
然而，一个问题来了。如果选择白色服装可以有效反射阳光以免升温，那为什么热带的人肤色黢黑而不是选择白色皮肤呢？
简单的「是被晒黑的」这样的解释略显浅薄。
未来我们会知道，
黑色物体的发射能力强
。
作为一个自身必须持续散热的生命体，在外部高温的环境下，如何有效地散热才是重要的考量。
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来源：墨子沙龙
编辑：悦悦
