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阳光里的奥秘

发表时间:2021-06-12 01:03

  天文学沿这样的历史轨迹发展不是偶然的,拿太阳来说,想对它进行深入研究,首先必须克服一个显而易见的困难,那就是它离我们实在太远了(1.5亿公里),而且也实在太热了(表面温度就足以使任何已知的物质气化),我们几乎永远也不可能象研究地球一样到太阳上去钻个孔、挖个洞、采集一些样本。这一现实的困境曾使一些人深感悲观。1835年,实证主义哲学的创始人,法国哲学家孔德(AugusteComte,1798–1857)曾经预言,人类永远也不可能了解太阳和星星的化学组成。

  幸运的是,与很多其他哲学家曾经发表过的有关科学的高论一样,孔德的预言很快就破灭了。因为太阳虽然很遥远,而且很热,但它却很慷慨的把一样东西送到了地球上,那就是阳光。这个初看起来很寻常的事实有着极不寻常的推论。有了它,我们这个星球才有生命。但阳光带给我们的不仅仅是生命,还有信息,比如有关太阳化学组成的信息,这是孔德所不知道的。事实上,比孔德的预言早了二十年,1814年,德国物理学家夫琅禾费(JosephvonFraunhofer,1787-1826)就发明了一种新的仪器,叫做光谱仪(spectroscope),为人们解读阳光里的信息提供了工具。

  不过在介绍夫琅禾费之前,我们先要“论资排辈”一下,向大家引见两位前辈。

  这两位前辈中的第一位对所有人大概都是“久闻大名,如雷贯耳”的,他就是牛顿(IsaacNewton,1643-1727)。在十七世纪六十年代中期,牛顿做过很多光学实验,在其中一组实验中,他让阳光从一个小孔射入屋内,然后经过一个三棱镜,最后投射到一块屏上。他惊讶地发现,出现在屏上的居然是一个色彩缤纷的长椭圆形影像。虽然在牛顿那个时代,人们对光的本性还一无所知,但牛顿毕竟是牛顿,他敏锐地意识到——并且通过进一步的实验证实了——这一现象所揭示的有关阳光的重要性质:那就是阳光是由不同颜色的单色光组合而成的。出现在屏上的彩色影像,则是由于不同颜色的单色光在三棱镜中的偏折角度不同,而被投射到屏上的不同位置所产生的。如今我们知道,牛顿发现的这一现象就是所谓光的色散(dispersion),即不同波长(从而颜色各异)的光在色散介质中的折射率不同,从而偏折角度不同。而他在屏上看到的彩色影像则是最粗糙的阳光光谱——确切地说是阳光光谱中的可见光部分(这部分约占阳光总能量的40%)。牛顿的这一重大发现可以算是一种很原始的光谱分析(spectrumanalysis),它是人类在探索光的本性道路上迈出的重要一步[注二]。

  但是从了解太阳的角度上讲,牛顿所看到的光谱却有一个问题,那就是它不仅可以从阳光中得到,而且也能从其它白色或接近白色的光源中得到,因此它带给我们的信息似乎并不是太阳所特有的。那么,在阳光里是否还隐藏着更微妙的信息,甚至是太阳所特有的信息呢?由于牛顿不能长生不老,对这些问题的探索就要依靠牛顿之后的科学家了。可惜的是,牛顿实在超前得太多了,在接下来一百多年的时间里,无论科学家们怎么重复和改进他的实验,都只能看见与他看见过的相同的彩色影像。这影像会不会就是大自然给我们的终极答案呢?没有人知道,但科学家们没有气馁,他们持续不断地进行着新的尝试。正是因为科学界有这样的恒心和毅力,象牛顿那样的高人也终有被超越的一天。

  功夫不负有心人,在十九世纪到来后的第二年,1802年,一位英国化学家终于窥视到了黎明前的曙光。所不同的是,这缕曙光不是彩色,而是黑色的!发现这缕曙光的英国化学家就是我们要介绍的第二位前辈,他曾经是一位医生,后来转向了科学,他的名字叫做沃拉斯顿(WilliamWollaston,1766-1828)。

  1802年,沃拉斯顿对牛顿的实验进行了重复和改进。他采用了质量很好的三棱镜,并用狭缝取代了牛顿的小孔(以便让更多的阳光进入),结果他发现了一个前人不曾发现过的细节:在那熟悉的彩色光谱中,存在几条很细的暗线。那些暗线是什么呢?沃拉斯顿作了一个猜测,认为它们大都是不同颜色之间的分界线。他的这个猜测在当时听起来是有一定道理的,因为他所发现的暗线只有寥寥数条,而人们描述光谱所用的颜色也只有寥寥数种(红、橙、黄、绿、蓝、青、紫),两者之间的确存在粗略的匹配性。但他没有想到的是,那些看似不起眼的暗线,已经让他站在了一座巨大冰山的尖顶上。十一年后,当那座冰山的更多部分显露在人们面前时,他的猜测就不攻自破了。

  那位让人们窥知冰山更多部分的人,就是夫琅禾费。

  有了光谱仪的帮助,隐藏在阳光里的真正奥秘终于比较清晰地显露在了人们面前。与沃拉斯顿一样,夫琅禾费也看到了暗线。但他的光谱仪远比沃拉斯顿的三棱镜精密,因此他看到的暗线不是寥寥数条,而是有几百条之多,他对它们进行了仔细的编号。为了纪念夫琅禾费的贡献,人们把那些暗线称为了夫琅禾费线(Fraunhoferlines)。后来随着光谱仪技术的进一步改良(比如使用更好的三棱镜,更精密的透镜,使用光栅等),以及照相技术的加盟,人们在阳光光谱中观测到的暗线数目也越来越多。夫琅禾费出生于一个光学仪器世家,父亲和爷爷都是玻璃工匠,母亲那一方与玻璃工艺的渊源更是可以回溯到十七世纪早期。但很不幸的是,在夫琅禾费10岁和11岁时,他的母亲和父亲先后去世,慕尼黑的贫民窟里从此多了一位年幼的孤儿。在随后的几年时间里,夫琅禾费靠替一位镜片制造商做学徒维持着艰难的生计。1801年,厄运再次降临到他的身上,他所住的贫民窟里的“脆脆楼”垮塌了。好在14岁的他被人从瓦砾堆下救了出来,算是不幸中的万幸。夫琅禾费的悲惨遭遇引起了恰巧途经垮塌现场,后来成为巴伐利亚国王的马克西米利安一世(MaximilianI,1756-1825)的同情,在他的资助下,夫琅禾费进了学校,并在十年后成为了光学研究的高手。1814年,夫琅禾费发明了光谱仪。这种仪器的核心部分虽仍是三棱镜,但在三棱镜的前后分别用透镜或透镜组对光线进行了汇聚,从而大大提高了分辨率。