整理太阳的故事六阳光里的奥秘Word格式文档下载.docx

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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]。

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【光的色散】

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。

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【纪念夫琅禾费诞辰两百周年的邮票】

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。

但那些暗线到底是什么呢？

这个曾经困扰沃拉斯顿的问题也困扰着夫琅禾费。

他首先怀疑的是自己的仪器：

那些暗线会不会是自己仪器的缺陷造成的呢？

他对这种可能性进行了排查，排查的方法很简单，那就是观察其它光源。

如果暗线是仪器的缺陷造成的，那就应该与光源无关，从而应该同样地出现在其它光源的光谱中。

观察的结果很快排除了那种可能性——其它光源的光谱中并没有出现同样的暗线分布。

这样，夫琅禾费就得到了一个结论：

太阳光谱中的暗线是阳光本身的特征。

由于那些暗线看上去虽然繁杂，却每一条都有固定的位置（这也是夫琅禾费能对它们进行编号的基础），它们显然隐藏着某种奥秘，而且这奥秘必定与太阳有关。

那么，这奥秘究竟是什么呢？

夫琅禾费不知道，其他人也不知道。

这局面多少有点尴尬，就好比已经发现了通往阳光奥秘的大门，却找不到开门的钥匙。

这种尴尬局面持续了四十多年，在此期间，“功臣”夫琅禾费和沃拉斯顿，“反面陪衬”孔德等都先后离开了人世。

解密的日子终于还是到来了。

1859年，两位德国人在光谱研究上取得了突破性的成果。

这两位德国人一位是化学家，名叫本生（RobertBunsen,1811-1899），以他名字命名的“本生灯”（Bunsenburner）直到今天仍被许多化学实验室所使用；

另一位是物理学家，名叫基尔霍夫（GustavKirchhoff,1824-1887），以他名字命名的“基尔霍夫电路定律”（Kirchhoff'

scircuitlaws）直到今天仍是求解电路问题的重要工具。

这两人当时都在海德堡大学（UniversityofHeidelberg），本生当时正在研究化学元素被加热后所发射的光谱，那些光谱中有一些亮线，而且不同元素的亮线位置是不同的。

本生打算利用这一特点作为证认化学元素的新手段。

这在当时是一个很高明的想法。

不过想法虽然高明，他用来观测光谱的设备却是滤色片一类老掉牙的东西，精度很低。

这时候，他的朋友基尔霍夫给他支了一招，建议他使用光谱仪。

本生采纳了这一建议。

在接下来的一段时间里，本生和基尔霍夫进行了合作，他们不仅证实了每种化学元素都有自己独特的光谱，就象每个人都有自己独特的指纹一样，而且还通过光谱研究发现了两种新元素：

铯（Cesium）和铷（Rubidium），显示了这种手段的巨大威力。

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【德国物理学家基尔霍夫（1824-1887）】

在研究中，基尔霍夫自己也作出了一生中又一项重要发现。

他注意到，如果某种元素在加热后所发射的光谱中有某些亮线，那么当光穿越由该元素制成的稀薄冷蒸汽时，在光谱中原先的亮线位置上就会出现暗线。

由于亮线源于光的发射（相应的光谱被称为发射光谱），暗线源于光的吸收（相应的光谱被称为吸收光谱），因此基尔霍夫的发现也可以表述为：

一种元素能发射什么样的光，它也就能吸收什么样的光，两者相互对应。

这个重要规律后来被称为基尔霍夫热辐射定律（Kirchhoff'

slawofthermalradiation）[注三]。

现在我们知道，光谱线是电子在不同能级之间跃迁产生的：

电子从高能级跃向低能级时会发射能量，由此产生的是发射光谱，从低能级跃向高能级时会吸收能量，由此产生的就是吸收光谱。

由于这两者是由同一组电子能级决定的，它们之间相互对应也就不足为奇了。

不过这一切直到二十世纪初才随着量子理论的发展而被人们所了解。

在基尔霍夫的时代，人们对光谱线的了解还停留在“知其然，却不知其所以然”的水平上，