今年夏天是有記錄以來的最熱的夏天之一，而且可能會越來越熱。筆者認為如今的空調已經不僅僅是生活好物，而成為了必需品。空調降溫的方法有很多，最常見的方法是使用壓縮機和制冷劑。然而，這種傳統的空調設備維修困難（而且貴），耗電量也相當大。2022 年，美國有 10% 的能源用于冷卻空氣，這可不是一個小數字。

我們確實有必要考慮其他降溫的方法。有一種降低物體溫度的方法，甚至不需要能量或燃料 —— 那就是輻射冷卻。通過使用合適的材料，你可以讓物體輻射的能量多于它吸收的能量，從而將溫度降低幾度。這聽起來像是在說大話，但它確實是真的，而這要歸功于一些非常酷的物理學理念。

萬物都能發光

萬物都能發光，這意味著萬物都能傳遞熱能。聽起來可能很奇怪，但別著急，讓我們先從燈泡開始思考。現在已有幾種方法可以讓物體發光，其中最簡單的方法就是讓它變得超級熱。這就是傳統白熾燈泡發光的原理：電流通過燈泡內的燈絲，使燈絲發熱發光（這個溫度約為 3,600 華氏度，即 1,982 攝氏度）。因為其原理很簡單所以這種燈泡已經存在 100 多年了。

但是，對于那些溫度不是很高的東西呢，比如土豆，你最喜歡的一雙鞋，或是門把手？答案是肯定的，它們也會產生一種光。

別忘了，光是一種電磁波，所有的電磁波都以光速（3 x 108 m/s）傳播，但波長是不同的。當電磁波的波長在 400 納米到 700 納米之間時，我們就稱之為可見光，人眼就可以探測到它。土豆（在室溫下）產生的電磁波的最大強度為 9.8 微米，我們稱這一電磁波譜區域的電磁波為紅外光。人們無法用眼睛探測到它，但可以用紅外攝像機生成圖像。

以筆者的狗子為例。由于它的體溫比周圍的環境稍高，因此產生的光波長也略有不同。這意味著在紅外圖像中，它會凸顯出來而不會混入背景中。

物體之間有三種傳熱方式。最常見的方式是熱傳導。當兩個溫度不同的物體接觸時，熱量就會從溫度較高的物體傳遞到溫度較低的物體。比如你用手握著一罐冰蘇打水，罐子會變熱，而你的手會變涼。

第二種傳熱方式是對流，這種方式只適用于流體（即氣體和液體）。讓我們以空氣為例。假設你有一個像爐灶這樣的熱源，通過熱傳導作用，爐灶附近的空氣溫度會升高。現在，爐灶附近的較熱的空氣密度低于遠離爐灶上方較冷的空氣密度。熱空氣將上升，冷空氣將下沉到熱空氣原來的位置。然后，熱空氣又會與所在空間上方的東西（比如天花板）發生熱傳導作用。從爐子到天花板的間接熱傳遞就是對流。

第三種傳熱方式是輻射，這才是我們真正想討論的。當一個熱物體發出紅外輻射時，這種輻射會被其他物體吸收。這正是烤箱的工作原理。你把想烤的東西放在烤箱里面，烤箱里面的加熱元件就會變得非常熱，產生熱輻射（沒錯，就是紅外線）。食物吸收了熱輻射，溫度就會升高。

現在想象一下，你把烤箱預熱，然后關上電源，再把一個土豆放進去。熱烤箱發出熱輻射，而土豆吸收了大部分熱輻射。結果是土豆變熱，烤箱變冷。這并不是烤土豆的正常方法，但這里的重點是，當物體（烤箱）產生熱輻射時，它們就會冷卻下來。

但是假如我們周圍的所有東西都在發出紅外線電磁輻射，那么周圍一切按此理說不都應該在變冷嗎？其實不然。如果你把一個蘋果放在桌子上，它會發出熱輻射。但它同時也會吸收其他物體的輻射：桌子、空氣、墻壁。因此，當同一區域附近的所有物體均已達到相同溫度時，它們并不會因為輻射而變冷。

反射率 vs. 發射率

要完全理解輻射冷卻的原理，還需要考慮另一個非常重要的性質：反射率和發射率之間的區別。想象你有一面完美的鏡子。所有照射到它的光線都會被反射出去。這面鏡子的反射率為 1，這意味著照射到它的光線百分之百都會被反射出去。

鋁箔也能反射大量光線，但不是所有光線。它的反射率可能在 0.88 左右，也就是說，照射到鋁箔的 88% 的光會被反射。落在鋁箔上的其他 12% 的光會被吸收，從而提高鋁箔的溫度。

現在想象一個完全不反射光的物體。當然，它仍然會發光，但只是由溫度導致的發光，而不是由于反射。這個物體的發射率為 1，我們稱之為“完美黑體”，即它能吸收所有電磁輻射。因此，發射率本質上與反射率相反。

反射率和發射率都取決于光的波長。在可見光譜（波長 400-700 納米）中反射率不高的物體，并不意味著它在紅外線波長（10 微米左右）中也有同樣低的反射率。再看看上面這只狗的紅外圖像。你注意到它在地板上的反光了嗎？在可見光譜中，地板的反射率并不高，但在紅外線中，地板的反射率卻很高。

下面是另一種觀察反射表面和發射表面差異的方法。下面是兩個鋁罐在室溫下的紅外圖像。唯一不同的是，右邊的罐子側面貼有遮蔽膠帶，但頂部沒貼。膠帶阻止了右邊的罐子反射紅外光，這意味著這兩個物體除了發射率之外是完全相同的（你可以看到筆者的手碰到了右邊罐子的頂部）。

左邊的普通鋁罐在紅外區域的反射率非常高。雖然顯示為橙色的部分看起來溫度較高，但實際上這并不是罐子本身發出的熱量，而是筆者的手接觸另一只罐子時發出的熱量的紅外反射。

筆者把膠帶貼在右邊的罐子上，就是為了提高它的發射率。因為膠帶不會反射紅外線，所以你看到的顏色只是基于罐子的溫度，而不是來自于其他高溫物體，比如筆者的手（因為右側罐子的最頂端沒有貼膠帶，所以那部分的反射率仍然很高。這就是為什么你還能看到一個橙色的斑點，這是反射的手的熱量）。

這里還有一個現實生活的例子：在炎熱的晴天，穿白色衣服好還是黑色衣服好？白襯衫（反射率高）能反射更多的陽光，不會那么熱。而黑衣服（發射 / 輻射率高）則會吸收大部分光線，變得很熱。因此，一般情況下最好穿白色衣服 —— 盡管在某些特殊的情況下，黑色衣服實際上可能更涼爽。

太空是冰冷的

您可能已經體驗過的一種輻射冷卻：在冬天，你可以通過觀察天空來判斷今晚是否寒冷。在萬里無云的夜晚，地面會以紅外線的形式輻射能量，這種能量的損失會使地面明顯變冷。并不是所有的能量都能損失：大氣中的二氧化碳會捕獲一些波長的紅外線，而這就是溫室效應的原理。但有一小部分波長的紅外線，即波長在 8 到 13 微米之間的紅外線，可以穿過大氣層進入太空（這個范圍被稱為“紅外窗口”）。

這個判斷晚上是否寒冷的辦法只有在萬里無云的夜晚才有用。因為云層會阻擋紅外窗口，能量會被反射回地面。因此，地面會保持溫暖。這就像地球披上了由蓬松云層制成的紅外毯。

另外，它在白天不起作用。白天確實有熱輻射，可以降低一些物體的溫度。但是還有一個大熱源 — 太陽。太陽光對物體的加熱效果遠大于物體向外輻射的冷卻效果。因此，所有東西都會變熱。

這里我們考慮一個比較特殊的假設：地球上存在一個正在獨自冷卻的物體。這似乎違反了物理定律，因為除非這個物體讓其他東西變熱，否則它是不會變冷的。例如，空調通過加熱室外空氣來冷卻室內空氣；冰柜里的一罐蘇打水溫度降低是因為它周圍的冰塊溫度升高并融化了。

因此，當一個物體通過輻射降溫時，一定會有其他物體溫度升高。這個升溫的物體就是太空。發射到太空中的輻射最終可能會抵達月球，使月球溫度升高 —— 也可能永遠向外傳播。

輻射冷卻板

在陽光普照的情況下，有可能讓物體變得比環境溫度更冷嗎？當然可以。您可以制作一個輻射冷卻板。這是一個在可見光譜中具有高反射率（以防止陽光使其變熱）和高紅外發射率（尤其是 8 至 13 微米波長）的平板。可見光會從物體上反射，從而不會導致物體加熱，而紅外線輻射則會使物體溫度降低。反射的可見光和紅外線輻射都會進入太空 (也許在某一時刻，它們會輻射到另一顆行星，導致其升溫 —— 但這并不是我們需要擔心的問題）。

有幾種方法可以使輻射冷卻板發揮作用。一種非常簡單的方法是在反光鋁材上使用透明膠帶。可見光穿過透明膠帶，然后從鋁箔上反射（因此鋁箔具有高反射率），但透明膠帶也能讓材料發射紅外線（即提高發射率）。這很簡單，筆者自己嘗試了一下。下面是一張鋁箔紙的可見光圖像和紅外圖像，鋁箔紙上有一條寬透明膠帶和一條細透明膠帶。

請注意，在可見光下，鋁箔非常閃亮，你不容易看到貼有膠帶的部分。在紅外線光譜中，普通的箔片看起來很暗，因為它只反射了天空中的紅外線（它的發射率不高）。然而，貼有膠帶的部分看起來更熱，表明它確實讓鋁箔輻射出了的熱量。這個簡單的實驗實際上并沒有使鋁箔變得比空氣溫度更冷，因為下面熱草地的加熱效果可能比輻射冷卻效果更強 —— 但筆者認為這個實驗是有可能成功的。

實際上 3M 公司生產了一種輻射冷卻膠帶，它的效果與鋁箔加膠帶的方法類似（但可能更好）。

另一種方法是使用一種特殊的白色涂料。這種油漆在可見光譜中具有很強的反射率，但在紅外線中卻具有較高的發射率。有幾段很棒的視頻展示了它的工作原理和制作方法。這里有一個來自 Tech Ingredients 的視頻。他的方法似乎很有效，但如果沒有實驗室，你很難制作出來。NightHawkInLight 有一種不同版本的輻射涂料，你也許可以在普通廚房里制作。

另一種選擇是使用納米粒子或水凝膠等更復雜的材料。還可以制作反射可見光和輻射紅外線的衣服。

輻射冷卻還有兩個非常酷的應用。你可以利用較冷的輻射冷卻板和較熱的地面之間的溫差，用熱電發電機發電（這就像一個在夜間也能工作的太陽能板）。也可以利用輻射冷卻產生的溫差直接從空氣中凝結水，就像塔圖因星球（《星球大戰》中的沙漠星球）上的濕氣蒸發器一樣。

最重要的是，所有這些應用都是零電力輸入。這就像從太空免費降溫。這些方法都不足以取代空調，因為它們只能降溫幾度。但也多少有點作用，是吧？

作者：RHETT ALLAIN

翻譯：七號機

審校：掃地僧

原文鏈接：How to Cool an Object Without Using Any Energy

本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：RHETT ALLAIN

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總結

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