新型冠狀病毒引起的疫情，牽動著萬千人的心。

防疫抗疫之戰(zhàn)從未停止，自疫情爆發(fā)以來，每個人出門都是一次挑戰(zhàn)，全副武裝，考驗重重。每次進出小區(qū)都感覺自己是天臺上的劉德華，小區(qū)保安會拿出額溫槍對準你的額頭，堅定地問出那三個直擊靈魂深處的終極哲學問題——你是誰？你從哪里來？你要到哪里去？

圖：電影《無間道》

 

記得多年前，我們測體溫的方法是將溫度計塞到腋下，老老實實夾夠五分鐘再讀數(shù)。而現(xiàn)在衍生出各種各樣的測溫方式，有額溫槍、門禁測溫、熱成像相機。

圖：現(xiàn)在的測溫方式

 

但隨之而來的，卻是越來越多的質疑：它真的測的準確嗎？為什么我測出的溫度只有30度？我只出去了五分鐘，怎么就突然漲了3度？

對這些問題，小編心里也充滿了疑惑。作為新時代求知若渴的有志青年，當然不甘于只是作為被測溫的對象。在我們工程師同學一遍一遍苦口婆心的講解下，總算理清了其中的玄機。下面，我們就先來說說紅外測溫這些事。

 

現(xiàn)代所有的科技產物，都不能脫離底層的物理學原理。構建起紅外測溫的底層理論有哪些呢？離不開幾位杰出的物理學家——基爾霍夫、斯特藩、玻爾茲曼、維恩、普朗克的貢獻。接下來，我們盡量用不帶公式的方式講講相關的理論。

 

?圖：物理學家基爾霍夫、斯特藩、玻爾茲曼、維恩、普朗克（年輕時最帥的）

 

一切物質的分子都包含帶電粒子，分子的熱運動導致物體不斷向外發(fā)射電磁波，我們稱它為熱輻射，一切溫度高于絕對零度的物體都能產生熱輻射。

 

1859年，基爾霍夫做了用燈焰燒灼食鹽的實驗。在對這一實驗現(xiàn)象的研究過程中，得出了關于熱輻射的定律，后被稱為基爾霍夫定律（Kirchoff’s law）。

 

這個定律是這么說的：在熱平衡狀態(tài)的物體所輻射的能量與吸收率之比與物體本身物性無關，只與波長和溫度有關。

 

這里還有一個關鍵概念：黑體。

任何物體在發(fā)出輻射能的同時，也不斷吸收周圍物體發(fā)來的輻射能。一物體輻射出的能量與吸收的能量之差，就是它傳遞出去的凈能量。當?shù)竭_該物體表面的熱輻射的能量完全被吸收，此物體稱為絕對黑體，簡稱黑體。

 

圖：絕對黑體能完全吸收到達其表面的熱輻射的能量

 

 

按照基爾霍夫輻射定律，在一定溫度下，黑體必然是輻射本領最大的物體。

 

1879年，斯特藩根據(jù)實驗曲線總結出一個定律：黑體的輻射出射度與黑體的絕對溫度四次方成正比。1894年玻爾茲曼從理論上證明了該結論，稱為斯特藩-玻爾茲曼定律。

 

八卦一段：這里的玻爾茲曼不是別人，正是最早從科學理論上闡述原子概念的人，不過在那個時代，大家普遍不相信原子論，所以玻爾茲曼有一大批學術上的反對者，他曾感慨“自己是一個軟弱無力的與時代潮流抗爭的人”。不過他并非孤軍奮戰(zhàn)，有一個年輕的德國科學家也站在他這邊。但玻爾茲曼心高氣傲，覺得支持他的是個無名小卒，根本看不上眼。然而，這個德國科學家不是別人，正是后來被稱為“量子論之父”的普朗克，下文我們也會提到。（玻爾茲曼一生極為固執(zhí)，他一生專注于分子運動論的研究，對于自己的理論無法得到科學界的認可感到極為沮喪，再加上飽受躁郁癥以及哲學上的困擾，最終在1906年結束了自己的生命）。

 

1893年，維恩也總結得到了一個規(guī)律，即絕對黑體的溫度與輻射本領最大值相對應的波長λ的乘積為一常數(shù)，稱為維恩位移定律。它表明熱輻射的峰值波長隨著溫度的增加而向著短波方向移動。

 

但在實驗中，維恩公式只在短波段與實驗結果相符合，在長波段則出現(xiàn)明顯偏差。雖然后來瑞利提出了長波段的假設，但始終和實驗沖突。

圖：輻射本領與波長的關系

 

物理學果然是一門以實驗為基礎的科學（只是近些年來低矮的果實都被摘得差不多了，實驗越來越難做了）。

 

這個時候普朗克橫空出世。1900年12月14日，在德國物理學會的例會上，普朗克作了《論正常光譜中的能量分布》的報告。在這個報告中，他激動地闡述了自己最驚人的發(fā)現(xiàn)。他說，為了從理論上得出正確的輻射公式，必須假定物質輻射（或吸收）的能量不是連續(xù)的，而是一份一份進行的，只能取某個最小數(shù)值的整數(shù)倍。這個最小數(shù)值就叫能量子，輻射頻率是ν的能量的最小數(shù)值ε=hν。其中h，普朗克當時把它叫做基本作用量子，后來被命名為普朗克常數(shù)，它標志著物理學從“經典幼蟲”變成“現(xiàn)代蝴蝶”。

 

圖：物質輻射（或吸收）的能量不是連續(xù)的，而是一份一份進行的

 

普朗克死后，他的墓志銘就是一行字：h=6.63×10^-34J·S

根據(jù)上述理論，我們如果探測到物體釋放出來的熱輻射，通過黑體的標定參考，就可以反推出來溫度（當然，反推的過程也有很多方法）。

黑體的標定可以在生產環(huán)節(jié)進行，也可以設置在現(xiàn)場環(huán)境中在線標定。但這僅僅是理論上，在實際環(huán)節(jié)中，有多方面原因會影響到溫度測量的精確度。

 

圖：影響測溫精確度的因素

 

所以要測準人的體溫，就需要上面三步，任何一步有問題，都會影響到最后測溫的精度。

這篇文章就寫到這里，后續(xù)我們會將這三個環(huán)節(jié)慢慢展開。