普朗克定律在奈米範疇失效了嗎？奧地利物理學家最近利用直徑僅500 nm的拉細光纖進行實驗，發現光纖的輻射行為並不符合普朗克定律的描述。這項結果如果屬實，白熾燈泡或許會因效能提高而從博物館再度回到日常生活中，人類對地球氣候的變遷也可能有不同的理解。
上世紀初問世的普朗克定律是熱力學的重要里程碑，它採用能量量子化的觀點來描述黑體輻射(blackbody radiation)在不同波長的能量密度如何隨溫度變化，成功解釋了實驗結果，並啟動後續量子力學的發展。不過，普朗克定律並不適用於尺寸小於熱輻射波長的物體，原因是它假設入射的輻射都會被黑體表面吸收，而黑體本身又是完美的輻射體；一但物體厚度不足，入射的輻射便可能從物體遠端漏出，導致物體的輻射變少。
2009年，加州大學洛杉磯分校的Chris Regan等人發現100 nm寬的碳奈米管輻射頻譜並不遵守普朗克定律。最近，維也納技術大學的Christian Wuttke及Arno Rauschenbeutel更進一步以實驗證實小型物體的發光行為遵守的是其他定律。
該團隊先將標準光纖拉伸500 nm粗的超細光纖，然後以雷射加熱拉細的部份，並以另一道雷射測量加熱及冷卻的速率。第二道雷射在光纖內建的兩個反射鏡間來回反射，其波長因光纖的折射率隨溫度變化而跟著改變，導致雷射會在共振與非中振狀態間循環。研究人員測量共振的時間間隔，結果發現加熱與冷卻都比Stefan-Boltzmann定律描述的慢(此定律源於普朗克定律，描述物體輻射功率與溫度之關係)，反而非常接近起伏性電動力學(fluctuational electrodynamics)的預測，而這個學說不只是物體的表面特性，連其尺寸、形狀及特徵吸收長度都納入考慮。
Wuttke表示，這項結果對實際應用也可能有幫助。例如傳統的白熾燈泡是靠加熱燈絲來發光，其發光光譜的高峰落在可見光區，然而仍有許多紅外波段的能量被浪費掉。對於500 nm粗的燈絲而言，其尺寸不足產生波長超過700 nm的紅外光，因此紅外輻射會受到抑制，而波長較短的可見光輻射則會增強。不過他也指出，實驗用的玻璃光纖是透明的絕緣體，並不適合此用途，必須另覓能導電、容易加熱且能大量小尺寸製作的材料。此外，這項研究也有助於了解大氣中由風化、燃燒及火山活動產生的微粒如何影響氣候變遷，因為微粒反射陽光會降低地球溫度，吸收地球熱輻射則會使地球暖化。
不過Wuttke與Rauschenbeutel都確信，此研究結果並不違反量子力學，普朗克定律仍然有效，只是受限於其前題假設。詳見arXiv:1209.0536。
原始網站: http://nano.nchc.org.tw/
譯者:蔡雅芝(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝