科普：一条成语牵出量子力学、“炉火纯青”背后的科学意义

导读：不知道有没有小伙伴想过，为啥不是炉火纯白、炉火纯黄或者是炉火纯红，一定要是纯青呢？本文就来谈一下成语“炉火纯青”背后的科学原理。

日常生活中的一些语言中常常暗含着深刻的科学道理。比如成语“炉火纯青”，我们用这个词的时候，通常都是用来形容某个人把某种技术掌握到了很高超的程度，科比因为直升机坠落不幸离世，很多人在撰文纪念的时候，都说科比的球技已经“炉火纯青”。

不知道有没有小伙伴想过，为啥不是炉火纯白、炉火纯黄或者是炉火纯红，一定要是纯青呢？本文就来谈一下成语“炉火纯青”背后的科学原理。

为什么要用炉火纯青来形容某种功夫或者某项技能达到一种很高的境界呢？我用某度查了一下资料，说是道家炼丹的时候，炉火达到了青色，就是丹成的时候。不过我对这种说法表示怀疑。

理由一、丹炉材料抗不住青焰高温

我们都知道颜色和温度之间有对应的关系。温度低的光会偏黄偏暖。炉火产生的温度一般都不太高，因此正常是偏黄的，只是白亮程度不同，温度也是不同的；温度越高，会偏白偏亮，温度较低会偏红偏暗。

暗红色：600摄氏度左右。 深红色：700摄氏度左右。 橘红色：1000摄氏度左右。 纯橘色：1100摄氏度左右。 金橘色：1200摄氏度左右。 金黄色：1300摄氏度左右。 金白色：1400摄氏度左右。 纯白色：1500摄氏度左右。 白蓝色：1500摄氏度以上。 天蓝色：一般冶炼达不到此程度。

炼丹炉的材料一般是青铜炉或者是铸铁炉，你可以说是火焰达到了这个温度，但是炉体没有达到，毕竟炉体还会散热。但是青色的火焰温度也需要在1500度以上，以炼丹出现的年代——魏晋时期，即使是铸铁炉，比青铜的熔点高出500°，达到1200°，到了这个温度，炉子已经开始瘫软了，想用这么高的火焰炼丹不太可能。

理由二、炼丹燃料达不到青焰温度

继续来深挖一下炼丹使用的燃料。中国古代炼丹术所用燃料之状况，情形颇为复杂。若不论西汉以前炼丹情况，则木炭便是贯穿始终的燃料，且时间越靠前，炼丹中使用马通、糠火之情形越多。至唐末宋初，炼丹燃料始渐渐集中于木炭，同时尝试使用其他一些燃料，如石炭(煤炭)、猬油、粟糠等，但无论如何，均不离木炭这一主要燃料。

总的来说，西汉末东汉初以马通（马粪）、谷糠为主，木炭次之一晋至中唐以木炭为主，马通、谷糠次之(陶弘景专以谷糠炼丹则又不论)唐末以后以木炭为主。到了明清时期，炼丹用的燃料开始逐渐以煤炭为主。

现代谷糠炉可以燃烧到很高的温度，通过特殊设计的炉体和通风环境，谷糠可以高效燃烧，达到1500°甚至以上的温度。然而在古代，没有这样的高科技装备，在开放的火堆里，中层的木炭可以达到熔化铝的温度，大概在700度左右；在打铁匠的相对密闭的风箱炉子里边，环境温度可以达到900度甚至1000度。

我们可以观察一下丹炉的结构，很显然都是一个开放式的结构，这样的结构并不能让温度上升到产生青色火焰的温度。

古人看到的青焰究竟是什么火？

《周礼 考工记》曾记载了当时铸造青铜器时的情况：凡铸金之状，金与锡。黑浊之气竭，黄白次之；黄白之气竭，青白次之；青白之气竭，青气次之；然后可铸也。

这里的金指的是铜，意思就是说在，在铸铸造铜器时，铜与锡按一定比例配比，随温度的升高，火焰的颜色先后为黑色、黄白色、青白色出现，最后到青色火焰出现时，才可以浇铸。

这意味着一种新的大炉子出现，因为从出土的那些大型青铜器看，炉子肯定比较大，并且有鼓风装置，炉内的燃烧比较充分，火焰的温度得以提高，1500°以上还是有可能出现的，这个时候可以看到青色的火焰。早期小型炉子，把矿石放在火堆上，最后只能等炉子凉下来在炉底得到铜块。

尽管《考工记》具体年代未知，但公认的是最迟不会晚于战国，年代远比道家炼丹更久。所以说，“炉火纯青”这个成语源自炼丹非但证据不足，牵强附会，也是不符合中国古人用火的实践事实的。很显然炉火纯青的炉火，是商周时炼铜的炉火，而不是道家炼丹的炉火。

炉火颜色与量子力学

古人虽然找到了颜色和温度之间的对应关系，其实也只能是粗略对应颜色与温度之间的关系。随着现代冶金工业建立，人类具备了测量具体炉温的能力。直到20世纪，科学家才真正搞明白火焰温度与颜色之间的关系。这不得不说一下开尔文爵士说的那朵笼罩在物理学大厦上的一朵乌云，就是黑体辐射。

其实任何物体都会有温度，也就是电磁辐射，每一个在绝对零度以上的物体都会辐射电磁波，温度越高，辐射的能量越大，辐射波长也就越短，当然，热不可能自动从低温物体传向高温物体，这就是热力学第二定律。

为了更好地研究物体的辐射，物理学家假想了一种物质，就是黑体，黑体只吸收电磁波不反射电磁波，这样黑体辐射电磁波就只和温度有关，而和黑体的其它性质无关了。虽然叫黑体，但黑体只在700k，大约就是477℃以下时才是黑的，因为此时黑体辐射的电磁波还都不是可见光，人眼看不见，所以看起来是黑的。

当温度超过700k，黑体就要辐射红光了，就进入到人眼的视觉范围，黑体就呈现红色了，温度继续升高呢，就逐步出现红——橙红——黄——黄白——白——蓝白的渐变过程。继续升高温度，进入到紫外线波段超出了可见光的范围，就又看不见了。

从经典物理学出发推导出的维恩定律在低频区域与实验数据不相符，而在高频区域，从经典物理学的能量均分定理推导出瑞利-金斯定律又与实验数据不相符，在辐射频率趋向无穷大时，能量也会变得无穷大，这结果被称作"紫外灾变"。

1900年10月，马克斯·普朗克将维恩定律加以改良，又将玻尔兹曼熵公式重新诠释，得出了一个与实验数据完全吻合普朗克公式来描述黑体辐射。但是在诠释这个公式时，通过将物体中的原子看作微小的量子谐振子，他不得不假设这些量子谐振子的总能量不是连续的，即总能量只能是离散的数值(经典物理学的观点恰好相反)。

后来，普朗克进一步假设单独量子谐振子吸收和放射的辐射能是量子化的，这一举动打开了量子力学发展的大门，开启了一个全新的物理学时代。而量子力学所带来的时代影响，已经不局限于科学技术的进步，它所创造的信息时代，正在引发全球社会管理模式的变革。

结束语

从发光的恒星，到燧人氏点燃的火堆，都是这样的发光，燃烧的炉火也是在这样发光，只不过炉火是把储存在化学键中的化学能转换成了热，达到高温时就发出了光，而且随着温度的不同，发出的光的颜色也不同，温度越高，发出的光的波长越短，频率就越高。

我们熟知的“赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫”就是依照光的波长从长到短排列的，所以，“炉火纯青”说的就是炉火的温度高到了发出青光了。