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從玻璃工人到天體物理學之父﹐“他使星星變近”

2019-02-22 08:44來源﹕科技日報

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  約瑟夫‧馮‧夫琅和費(1787─1826)

  科學史話

  說起巴伐利亞﹐很多人想到的是它的首府慕尼黑﹐想到全稱為“巴伐利亞機械製造公司”的寶馬公司﹐想到啤酒。但絕大部分人不知道的是﹕這裡還誕生了天體物理學之父──約瑟夫‧馮‧夫琅和費。

  夫琅和費1787年出生於巴伐利亞一個貧困的玻璃匠家庭﹐是這個家庭的第11個孩子。10歲與11歲時﹐夫琅和費先後失去母親與父親﹐成為孤兒。為了生存﹐他進入一家玻璃製造坊做童工。1801年﹐夫琅和費工作的破舊車間突然倒塌﹐14歲的他差點被壓死。

  這場災難也意外地給這個少年帶來了人生的最大轉折──這次救援的負責人是後來成為巴伐利亞王國國王﹑當時已是侯爺的馬克西米里安。侯爺非常同情夫琅和費﹐給了他一些書籍﹐並迫使玻璃製造坊的老闆允許他花時間學習。

  1806年﹐19歲的夫琅和費來到一家頂尖水平的光學研究所學習光學儀器製造工藝。夫琅和費聰明勤勉﹐不斷磨制各種鏡片﹑改進各種光學儀器﹐很快成為當時世界頂尖的光學儀器製造專家和當時世界上最偉大的望遠鏡製造者﹐也使巴伐利亞取代英國﹐成為當時世界上光學儀器工業的中心。但夫琅和費一生中最傑出的成就卻不是為別人提供最好的天文儀器﹐而是使用自己製造的儀器分解太陽光與星光﹐並創立起一個全新的學科──天體光譜學﹐即天體分光學。

  在夫琅和費之前﹐其實已經有人用棱鏡分光。最著名的是牛頓﹐他用三棱鏡將小孔裡穿過的陽光分成多種顏色﹐展開後的圖就是牛頓命名的“光譜”﹐牛頓得到的光譜是非常粗糙的﹐很多細節無法顯現。後來﹐英國化學家沃拉斯頓讓陽光從狹縫穿過並用更好的棱鏡來分解陽光﹐于1802年發現陽光的光譜中有4條暗線﹐但他的結果沒有引起人們注意﹐他也沒有繼續研究。

  1814年﹐27歲的夫琅和費將自己磨制的棱鏡與一個小望遠鏡組合﹐他用這個空前精密的棱鏡分解火焰的光﹐透過望遠鏡直接觀察﹐發現其中總有橙色明亮線。然後他用棱鏡重復牛頓的實驗。他原以為自己會在望遠鏡中看到明亮的線﹐但結果卻恰恰相反﹐他看到的是一個連續的明亮帶﹐其中又嵌著574條暗線﹐遠超過沃拉斯頓發現的4條﹐這些線在光譜圖中的位置是固定的。

  為確定這些暗線是不是儀器的缺陷導致﹐夫琅和費用多種人造光來做這個實驗﹐發現那些暗線不再出現﹐這證明儀器並沒問題。他還證明了那些線中的絕大部分不是地球大氣產生的。因此﹐他確信這些線攜帶著太陽自身的信息﹐並用字母給太陽光譜中一些特別明顯的暗線編了號﹐這些線也被後人稱為“夫琅和費線”。夫琅和費還將天狼星等明亮恆星發出的光分解﹐也發現了很多暗線。

  在夫琅和費發現那些神秘暗線時﹐所有人都無法解釋它們。1859年﹐著名物理學家基爾霍夫利用當年夫琅和費親手磨制的石英三棱鏡組裝出一臺光譜儀﹐和著名化學家本生在實驗室用本生發明的“本生燈”燃燒各種元素﹐並認真觀察光譜﹐解開了謎團﹕太陽熾熱表面的各種原子發出各種各樣的光﹐這些光經過太陽外部相對冷的大氣時﹐大氣中的一些原子分別“攔截”了同類原子發出的光﹐導致光譜圖中某些位置的光變暗﹐形成了夫琅和費線。

  根據這個原理﹐祗要人們能在實驗室中將各種元素發出的光的特徵線一一確定﹐就可以根據太陽的夫琅和費線推斷出太陽大氣中有哪些元素。著名哲學家孔德曾斷言﹕人類絕不可能得知恆星的化學成分。就在孔德去世後兩年﹐夫琅和費線的秘密被解開﹐人類從此可以藉助夫琅和費發明的光譜儀分析出太陽與其他恆星的化學成分﹐孔德的斷言被直接否決了。

  儘管夫琅和費始終不知道他發現的那些暗線的物理起因﹐但他的精密棱鏡與望遠鏡的組合卻成為世界上第一個真正的光譜儀﹐此後同類光譜儀的核心部件都與其類似。天文學家用光譜儀分解星光﹐得到光譜﹔再根據光譜中的各種線﹐確定天體中含有的元素。夫琅和費發現的夫琅和費線﹐又是天體光譜學研究的真正發端。天文學家用光譜儀分解星系發出的光﹐結合照相術﹐在底片上獲得光譜﹐然後測量光譜中各種線的移動﹐計算出星系的運動速度﹐這最終又催生了宇宙學。天體光譜學與天體測光學是天體物理學的兩大基石﹐光譜學尤其體現了天體物理學的特徵。夫琅和費因此被譽為“天體光譜學之父”與“天體物理學之父”。

  但夫琅和費卻沒能看到此後的這一切﹐由於長期與當時玻璃工藝必需的重金屬蒸汽接觸﹐一直未婚的他于1826年在慢性中毒與肺病的折磨下英年早逝﹐年僅39歲。此時距夫琅和費線的秘密被揭開﹐還有33年。為紀念這位天體物理學之父﹐人們在他的墓碑上刻上望遠鏡和太陽﹐並在墓前的石制花盆上刻下“Approximavit sidera”──“他使星星變近”。

[ 位置﹕ 首頁> 文化頻道> 要聞 責編﹕曾震宇 ]
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