從光譜拆解彩虹、星星的溫度密碼

你有沒有注意過，太陽光透過玻璃窗時會被折射成彩虹色？這其實是光譜的魔法在作祟。光不只是我們眼睛看到的白光，它其實包含了許多不同顏色的光，每種顏色代表不同的波長和能量。了解光譜，不僅能讓我們看懂日常生活中的光，還能幫助天文學家揭開遙遠星星的秘密。

連續光譜：自然界的彩虹

大自然中的光源，例如太陽、火焰或燒紅的金屬，發出的光通常是連續光譜。這種光譜就像彩虹一樣，從紅色到紫色的顏色漸變，涵蓋了多種波長的光。當我們用稜鏡或三稜鏡分解這些光時，就能看到完整的彩虹色帶，代表這些光源同時發出多種波長的光。

與自然光不同，許多人造光源如LED燈、螢光燈、雷射光，甚至螢火蟲的光，並不會發出完整的彩虹色帶。它們只會發出特定波長的光，形成所謂的線光譜或選擇性光譜。這種特性讓LED燈特別省電，因為它只發出我們眼睛能看到的光，避免浪費能量在紅外線或紫外線上。

我們用波長和頻率來描述光的顏色和能量。波長是光波的長度，頻率則是光波每秒震動的次數。兩者成反比：波長越長，頻率越低；波長越短，頻率越高。光速是固定的（約3×10⁸米/秒），所以波長和頻率必須互相調整。

光的能量與頻率成正比，公式是 E = hf，其中E是能量，h是普朗克常數（6.626×10^-34焦耳秒），f是頻率。這表示頻率越高的光，能量越大。例如，X光和γ射線的頻率很高，能量也很強；紅外線和微波頻率低，能量較弱。

黑體輻射是理想化的發光體模型，它的光譜完全由溫度決定。太陽的光譜就近似於一個約6000K的黑體。當溫度升高，光譜會向短波長（藍色）偏移，能量也更集中在高頻率部分。這就是為什麼藍色星星比太陽更熱，而紅矮星則溫度較低，光偏紅色。

19世紀末，科學家無法用當時的理論解釋黑體輻射的光譜形狀。Max Planck提出能量量子化的概念，成功推導出描述不同溫度下光能分布的公式。這不僅是數學上的突破，更揭示光的能量是分離成一份份小包（量子），開啟了量子力學的新時代。後來愛因斯坦等人進一步解釋這個現象，奠定了現代物理的基礎。

天文學家利用黑體輻射的原理，只要分析星星發出的光譜，就能推算出它們的表面溫度。即使這些星星距離地球數十萬光年，我們依然能透過光譜讀出它們的熱度和特性，彷彿在遙遠宇宙中與它們對話。

光不只是照亮世界的工具，它還藏著豐富的資訊。從自然界的連續光譜，到人造光源的選擇性發光，再到黑體輻射揭示的溫度秘密，光譜讓我們看見了物理世界的微妙規律。下次當你看到彩虹或夜空中的星星，不妨想想它們背後的光譜故事，感受光與能量的奇妙連結。