科學外史II（8）

最近上海和全球多地持續(xù)高溫，太陽的威力考驗著世界上不同地區(qū)的人們。前天有人問我：網(wǎng)上說太陽表面大約有6000度，還說太陽因為內(nèi)部持續(xù)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(fā)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(qū)域，也不能用望遠鏡觀測太陽（會瞬間致盲）。人類現(xiàn)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(jīng)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(shù)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(fā)現(xiàn)了一些暗線，在紅色、綠色 、藍色區(qū)域，他分別發(fā)現(xiàn)2、3、4條暗線，可惜身兼醫(yī)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(fā)現(xiàn)，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(xiàn)在同樣位置。隨后他開始觀測太陽光譜，卻發(fā)現(xiàn)了許多暗線。在燈光光譜中出現(xiàn)明亮黃線的位置，在太陽光譜中出現(xiàn)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(shù)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(fā)現(xiàn)了同樣的暗線。雖然夫瑯和費無法解釋這些光譜線出現(xiàn)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(xiàn)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(tài)，他發(fā)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(zhì)，比如鈉、鉀、鋰、鍶、鋇……他發(fā)現(xiàn)不同的物質(zhì)在燃燒時會呈現(xiàn)不同的顏色。本生由此設想可以根據(jù)火焰的不同顏色來判別不同物質(zhì)，但當他將多種元素混合燃燒時，火焰卻只呈現(xiàn)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(jīng)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(zhì)的光譜，他們發(fā)現(xiàn)每種元素在特定的波長處都會產(chǎn)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(fā)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(fā)是：既然光譜分析能夠知道遠處火光中的物質(zhì)成分，那我們是不是也能知道太陽上的物質(zhì)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(zhì)再分析這些物質(zhì)光譜的實驗沒有白做——他們發(fā)現(xiàn)那些物質(zhì)在特定波長處出現(xiàn)的亮線，在太陽光譜中都能在相應位置上看到暗線。物質(zhì)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(fā)射出亮線；2.每一種元素在溫度較低的狀態(tài)下都能吸收它所能發(fā)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(nèi)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(xiàn)。如今天文學家已經(jīng)在太陽光譜中發(fā)現(xiàn)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(jīng)證認出68種。現(xiàn)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(fā)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(fā)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(fā)現(xiàn)了氦元素。洛克耶還來得及享受“第一個發(fā)現(xiàn)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(guī)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?，F(xiàn)在主流的恒星模型理論認為，像太陽這樣的恒星，自身質(zhì)量產(chǎn)生巨大引力要讓它向內(nèi)坍縮，而內(nèi)部核聚變產(chǎn)生巨大壓力要讓它向外擴張，兩者處于動態(tài)平衡而保持穩(wěn)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(fā)展史就會發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)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(fā)現(xiàn)了新用途，開啟了天體的光譜分析時代。二戰(zhàn)時的軍用雷達當然不是研究天文學用的，只是戰(zhàn)后人們發(fā)現(xiàn)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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