科學外史II（8）

最近上海和全球多地持續高溫，太陽的威力考驗著世界上不同地區的人們。前天有人問我：網上說太陽表面大約有6000度，還說太陽因為內部持續的核聚變而向外輻射巨大能量……但這一切是通過什么途徑知道的？人類顯然不可能用任何儀器靠近太陽去測量？今天的太陽物理學家當然會說這是“小白問題”，但對更多人來說，這個平時不被我們注意的問題，倒也有些趣味，而且還有一點啟發意義。

光譜的早期故事

(相關資料圖)

迄今為止人類確實無法接近太陽，且不說太陽表面約6000度的高溫，何況去往太陽還要穿過溫度高達百萬度以上的日珥區域，也不能用望遠鏡觀測太陽（會瞬間致盲）。人類現有的各種直接測量手段，對于太陽都無法實施。所以1835年孔德（A. F. X. Comte）有名言“恒星的化學組成是人類絕不能得到的知識”，其實在他說這句話之前20年，也就是1814年，打破這句名言的技術已經萌芽了。

讓太陽光通過三棱鏡展布成赤橙黃綠青藍紫的光譜，是一個富有觀賞價值和娛樂性的低難度物理實驗，自從牛頓1672年在皇家學會報告了他數年前所做的這一實驗之后，不斷有人在做這類實驗。1802年，英國人沃拉斯頓（W. H. Wollaston）做這一實驗時，在太陽光譜中發現了一些暗線，在紅色、綠色 、藍色區域，他分別發現2、3、4條暗線，可惜身兼醫生和物理學家的沃拉斯頓對這些暗線沒有深究，遂與名垂青史的機會失之交臂。當然沃拉斯頓也不算太冤，當年牛頓或許也有機會看到這些暗線，但牛頓也沒注意它們。

下一個注意到這些暗線的人是德國科學家夫瑯和費（J. von Fraunhofer），他在1814年制作了第一臺分光鏡，這使得他能夠比前人更細致地觀察各種光譜。他在實驗中先是發現，在油燈、蠟燭、酒精燈的火焰光譜中，都有一對黃色的亮線出現在同樣位置。隨后他開始觀測太陽光譜，卻發現了許多暗線。在燈光光譜中出現明亮黃線的位置，在太陽光譜中出現的卻是一對暗線。1814～1817年間，夫瑯和費以極大的耐心從太陽光譜中數出了576條暗線，詳細記錄了這些暗線在光譜中的位置。他甚至還在金星的光譜中發現了同樣的暗線。雖然夫瑯和費無法解釋這些光譜線出現的原因，但是后來這些光譜線就被稱為“夫瑯和費線”——有心人就是有機會名垂青史。

要解釋太陽光譜中這些“夫瑯和費線”出現的原因，還需要等待40多年，在此期間孔德說出了上面那句名言，讓許多人深信不疑。

夫瑯和費線的解釋

1858～1859年間，德國化學家本生（R. Bunsen）正處于興奮狀態，他發明的一種在化學實驗室中用于加熱的裝置被稱為“本生燈”，其實就是一種煤氣燈，但火焰溫度可高達2000多度。本生忙著用本生燈來燒各種物質，比如鈉、鉀、鋰、鍶、鋇……他發現不同的物質在燃燒時會呈現不同的顏色。本生由此設想可以根據火焰的不同顏色來判別不同物質，但當他將多種元素混合燃燒時，火焰卻只呈現出占比最大的那種元素的顏色。

本生有個哥們基爾霍夫（G. Kirchhoff）是物理學家，兩人經常一起散步聊天討論科學問題。基爾霍夫的實驗室里有分光鏡，于是本生燈+分光鏡，兩人開始一起研究各種燃燒物質的光譜，他們發現每種元素在特定的波長處都會產生特定的亮線，例如當年夫瑯和費注意到的那對黃色亮線是鈉元素發出的。

有一天晚上這兩人還在海德堡的實驗室中鼓搗光譜，遠處忽起大火，兩人以科學家特有的吃飽了撐著的精神，將分光鏡用來分析遠處大火的光譜，在其中識別出了鍶和鋇的譜線。這件即興的無聊之舉給他們的啟發是：既然光譜分析能夠知道遠處火光中的物質成分，那我們是不是也能知道太陽上的物質成分？這個聽起來有點像癡人說夢的想法，讓兩人感覺極為刺激，第二天就去實驗室分析太陽光譜。

他們當然無意中又重復了夫瑯和費40多年前做過的工作，再次在太陽光譜中看到了那些夫瑯和費線。但這次情況有所不同：前一階段在本生燈上燒各種物質再分析這些物質光譜的實驗沒有白做——他們發現那些物質在特定波長處出現的亮線，在太陽光譜中都能在相應位置上看到暗線。物質燃燒光譜中的亮線，對應太陽光譜中相同位置的暗線，這怎么解釋呢？基爾霍夫讓太陽光穿過他燃燒鈉鹽形成的鈉蒸汽，結果太陽光譜中那兩條對應著鈉元素的暗線變得更暗了。

于是基爾霍夫提出假說，這也被稱為“基爾霍夫定律”，用通俗語言表達就是：1.每一種化學元素都能在自身的燃燒光譜中發射出亮線；2.每一種元素在溫度較低的狀態下都能吸收它所能發射的譜線而形成暗線。這個定律可以解釋太陽光譜中那些夫瑯和費線：因為太陽內部的溫度更高，熾熱的光線需要穿過相對較冷的外層才能到達地球，夫瑯和費暗線就是因較冷外層中同樣元素的吸收而形成的。

應用技術和基礎科學：究竟誰推動誰？

基爾霍夫的上述定律，開啟了證認太陽上化學元素的方便之門——通過和地球上已知元素的光譜比對，就可以知道太陽上有什么元素。各種更高效、更方便的光譜比對方法也次第出現。如今天文學家已經在太陽光譜中發現了大約2.6萬條譜線，地球上已知的百余種化學元素，在太陽上至少已經證認出68種。現在已知太陽約71%是氫，27%是氦，其余元素不管有多少種，總共只占約2%。

在證認太陽元素的熱潮中，有個英國人也名垂青史。天文學家洛克耶（N. Lockyer，有時譯成洛基爾）以研究太陽著稱，還發明了新式的分光鏡，他在1868年宣稱，太陽光譜中有一條黃色亮線，無法與地球上任何已知元素對應，應該是一種太陽上的元素發出的，洛克耶將這種元素命名為“氦”（源自希臘語“太陽”），結果27年后真的在地球上發現了氦元素。洛克耶還來得及享受“第一個發現宇宙元素”的榮譽——他從1869年被任命為《自然》（Nature）雜志的首任主編，一直任職50年，直到1920年去世。

太陽其實就是一顆普通恒星，所以對太陽光譜的分析方法，立刻被大規模應用到別的恒星上，大量恒星光譜的收集和分類，再借助理論物理的推算，人類對恒星的成分、溫度都有了掌握。現在主流的恒星模型理論認為，像太陽這樣的恒星，自身質量產生巨大引力要讓它向內坍縮，而內部核聚變產生巨大壓力要讓它向外擴張，兩者處于動態平衡而保持穩定。

長期以來，天文學一直被視為基礎科學的冠冕，而基礎科學被視為技術進步的源頭。但回顧一下天文學的發展史就會發現：現代天文學每一個歷史性的關鍵突破，都是應用技術提供的：望遠鏡最初并不是為觀天而制作的，只是伽利略首次將它指向天空，開啟了望遠鏡時代。夫瑯和費、基爾霍夫擺弄光譜都不是為了研究天文學，只是意外發現了新用途，開啟了天體的光譜分析時代。二戰時的軍用雷達當然不是研究天文學用的，只是戰后人們發現它還可以接收天體在可見光波段之外的電磁輻射，開啟了射電望遠鏡時代。這三個例子都是應用技術推動了基礎科學，而不是相反。

（作者系上海交通大學講席教授，科學史與科學文化研究院首任院長）

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