鐵匠師傅，為什麼不用溫度計就能知道鐵的溫度？
― 熾熱的鐵，會依溫度發出固定顏色的光
看著從爐子取出的鐵，師傅會判斷「現在大約800℃」。這看似憑經驗，但他讀取的其實是自然界的規律。因為熱物體發出的光的顏色，幾乎只由溫度決定，與材質無關。而在鐵開始發光之前，其實還有另一個「溫度計」。
電視上,播出刀匠的工作場景。在關上窗戶、光線昏暗的房間裡,爐中的鐵發出紅色的光。
師傅並不看溫度計。他只是盯著鐵的顏色,在「就是現在」的瞬間把它放入水中。
為什麼光看顏色就能知道溫度？又為什麼要特地把房間弄暗呢？
師傅讀取的「顏色」，其實有兩種
大約超過500℃後，物體會自行發光。隨著溫度上升，顏色會從暗紅、橘、黃逐漸變成白色。這個順序不論是鐵還是石頭，幾乎都一樣。
在200～300℃左右，鐵還不會發光。但表面會形成一層極薄的氧化膜,依厚度不同而呈現黃色、褐色、紫色、藍色。膜的厚度是由溫度決定的。
也就是說，鐵身上其實裝著高溫用和低溫用兩套「刻度」。接下來就依序來看看。
為什麼熱的東西，顏色會由溫度決定？
所有物體都會依溫度發出肉眼看不見的光（紅外線）。我們的身體、桌子，此刻也都在發出這種光。溫度升高時，發出的光會變強，而且會混入波長較短的光。
請看圖1。橫軸是光的波長，縱軸是光的強度。1100℃的山峰雖然很大，但山頂的位置比左側「可見光」的色帶還要偏右許多，落在紅外線的範圍。人眼能看到的，只是山腳下極小的一部分而已。
在500℃左右，落入色帶的只有極少量的紅光。所以在明亮的地方，根本察覺不到它在發光。據說刀匠之所以把工作場所弄暗，正是為了辨識這種微弱的紅光。在白天的光線下，同樣的鐵看起來會像是溫度低了一階。
溫度再升高，落入色帶的光會往橘色、黃色等波長較短的方向擴散。據說超過1300℃後，可見光的各種顏色會混合齊全，看起來就偏白色。
還沒發光的鐵，要怎麼讀取溫度？
刀具的「回火」工序，需要嚴格控制在200～300℃左右的低溫。在這個溫度下鐵不會發光。因此師傅會觀察磨亮後的鐵表面顏色。
受熱的鐵表面，會形成一層與空氣中氧氣結合而成的極薄薄膜。膜的上下表面反射的光相互重疊時，只有特定顏色的光會被增強。這和肥皂泡看起來呈現彩虹色，是同樣的原理。溫度愈高，膜就長得愈厚，顏色也依序從淺黃、褐色、紫色變成藍色。
圖2把這兩套刻度，排列在同一條溫度色帶上。左側是薄膜的顏色，右側是發光的顏色。請注意中間有一段兩者都難以判讀的區間。
圖2中③區間的鐵，外觀看起來就是普通的灰色。但實際上可能仍有400℃左右的高溫。煮完飯後的平底鍋，或從營火中取出的金屬串也是同樣的道理。在師傅的世界裡，基本原則是：放著的鐵即使沒有發光，也不要徒手觸摸。
夜空中偏紅的星星，表面溫度較低；偏藍白色的星星，表面溫度較高。天文學家估算星星溫度時，用的正是與鐵匠師傅相同的「光色刻度」。
總結
鐵匠師傅能靠顏色判讀溫度，是因為熱物體發出的光的顏色，幾乎只由溫度決定，與材質無關。在還沒開始發光的溫度區間，表面薄膜的顏色則成了替代的刻度。師傅之所以在暗處作業，是為了不漏看那微弱的紅光,這是前人累積下來的智慧。
師傅經驗的真相，其實是大自然刻在鐵上的刻度。
只不過，也有沒有刻度的溫度區間。
關於熱以光的形式傳來的話題，請見為什麼靠近營火時，只有臉發燙，背後卻依然冰冷？；而利用非熱能的方式來發光的原理，則收錄在為什麼LED這麼省電？。薄膜產生顏色的原理，也歡迎參閱為什麼肥皂泡看起來是彩虹色的？。
- 比較電爐或烤麵包機的電熱線，在明亮房間和昏暗房間中看起來有何不同。在昏暗處，能更快發現低溫時的紅色（請勿觸摸，保持距離觀察）。
- 觀察不鏽鋼鍋底，或瓦斯爐的爐架。如果有彩虹色或偏藍色的燒痕,那就是「薄膜的顏色」。
- 在晴朗的夜晚，尋找偏紅色與偏藍白色的星星。顏色的差異，正代表著表面溫度的不同。
使用熱源時，請務必和大人一起，並確認關閉火源、完全冷卻後再收拾。
想了解更多 ― 用語、公式與教科書的關聯從國中理科到大學專業科目，都會明確標示屬於哪個程度
- 國中國中理科學習範圍
- 高中高中「物理」學習範圍
- 高中＋高中的進階內容，或教科書專欄性質的內容
- 大學高中未教授、屬於大學專業科目（統計力學・量子論・金屬材料學）的內容
- 研究連大學都尚未當作「定論」教授、研究者目前仍在探究中的內容
國中用語：這個現象是有名字的
- 熱輻射：具有溫度的物體，以光（主要是紅外線）的形式釋放能量的現象。
- 黑體輻射：能完全吸收光線的理想物體所發出的熱輻射。其顏色與強度僅由溫度決定，實際物體的行為也與此相近。
- 淬火・回火：將高溫的鋼急速冷卻使其變硬，稱為淬火。之後再以低溫重新加熱，恢復其韌性，稱為回火。
- 德雷伯點（Draper point）：物體開始呈現暗紅色發光的溫度。據說1847年德雷伯（Draper）報告指出，不論材質，這個溫度大約都在525℃左右。
國中高中用公式驗證：光的山峰頂點，位在哪裡？
已知熱輻射山峰頂點的波長，只需「以某個常數除以絕對溫度」即可求出（維恩位移定律）。符號說明：λ（lambda）為頂點波長，單位為微米；T為絕對溫度，單位為克耳文。
| 維恩常數 | 約2898（微米・克耳文） |
| 可見光範圍 | 約0.38～0.78微米 |
| 絕對溫度與攝氏溫度的差值 | 273 |
| 符號 λ | 頂點波長（微米）＝ 2898 除以 T 的值 |
| 將800℃換算成絕對溫度 | 800 ＋ 273 ＝ 1073 |
| 頂點波長 | 2898 ÷ 1073 ≒ 2.7 |
| 是紅光波長（約0.7）的幾倍 | 2.7 ÷ 0.7 ≒ 3.9 |
800℃的鐵最強烈發出的光，波長是紅光的約4倍，屬於紅外線。由此可知，人眼看到的只是山腳而已。
| 1000℃的絕對溫度 | 1000 ＋ 273 ＝ 1273 |
| 500℃的絕對溫度 | 500 ＋ 273 ＝ 773 |
| 溫度比 | 1273 ÷ 773 ≒ 1.65 |
| 比值的平方 | 1.65 × 1.65 ≒ 2.72 |
| 比值的4次方（發光總量之比） | 2.72 × 2.72 ≒ 7.4 |
發光總量與絕對溫度的4次方成正比（史蒂芬－波茲曼定律）。溫度僅提高不到2倍，熱輻射的光就會增強超過7倍。若只看可見光部分，增加的幅度更是急遽。
高中高中＋薄膜的顏色，為什麼由厚度決定？
高中薄膜正反兩面反射的光，行進路徑會產生差異。當這個差異恰好是波長的整數倍時，該顏色會被增強；差半個波長時則會被削弱。膜愈厚，被增強的顏色就會依序改變。
高中＋鋼材回火色所形成的氧化膜，據說厚度約在數十奈米左右。膜的成長不僅受溫度影響，也受加熱時間左右，因此有時「短時間高溫」與「長時間低溫」會呈現相同顏色而難以區分。
大學為什麼顏色「與材質無關」，只由溫度決定？
熱輻射的分布，可用普朗克輻射公式來表示。物體內部的原子或電子會依溫度各自振動，其能量以光的粒子（光子）交換的方式取得平衡時，分布的形狀就只由溫度決定。實際物體的吸光能力（放射率）小於1，因此亮度會因材質而異。不過，只要可見光範圍內的放射率不太隨波長變化，看起來的顏色就幾乎只由溫度決定。金屬的光澤面放射率較低，據說看起來會比氧化後的黑色表面更暗、溫度顯得較低。
研究目前尚未完全釐清的部分
- 師傅的眼睛，究竟有多準確？ 雖然已有比較熟練者以顏色判斷溫度與放射溫度計實測結果的報告，但個人差異與照明條件的影響該如何評估，目前尚無定論。
- 回火顏色的預測。 鋼材成分與表面處理方式不同，薄膜的成長方式也會改變，如何從溫度與時間精確預測顏色的模型，至今仍在持續改良中。
- 放射率的變化。 高溫金屬在加熱過程中，表面會氧化，使放射率本身發生變化。如何以非接觸方式準確測量溫度，在煉鐵現場也是研究課題之一。
也就是說，本文的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。顏色與溫度的對應表，請僅作為參考來閱讀。
與教科書的關聯（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文段落 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科・光的性質、能量的轉換 | 熱以光的形式釋放 |
| 高中 | 物理・光的干涉、絕對溫度 | 薄膜的顏色、換算成克耳文 |
| 高中＋ | 物理・熱輻射（進階） | 維恩位移定律、4次方定律 |
| 大學 | 統計力學・量子論・金屬材料學 | 普朗克輻射公式、放射率、熱處理 |
| 研究 | 非接觸溫度量測・表面氧化 | 師傅判斷的精確度、薄膜成長模型 |
| ― | 與生活的關聯 | 沒有發光的金屬，也可能是高溫 |
- 國立天文台 編『理科年表』丸善出版（日本國立天文台編《理科年表》丸善出版，物理/化學篇・熱輻射項目）
- Draper, J. W. (1847). On the production of light by heat. Philosophical Magazine, 30, 345–360.
- ASM International, ASM Handbook, Volume 4: Heat Treating
- Halliday, D., Resnick, R., Walker, J. Fundamentals of Physics（熱輻射・薄膜干涉章節）
※本文為一般大眾取向的科學解說。文中數值僅為幫助理解原理的參考・概略值。顏色與溫度的對應關係，會因鋼材種類、加熱時間、照明而有所不同。處理熾熱金屬或電熱器具時，請遵循產品說明書及作業現場的安全規範。