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从玻璃工人到天体物理学之父,“他使星星变近”

2019-02-25 09:19来源:科技日报

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  说起巴伐利亚,很多人想到的是它的首府慕尼黑,想到全称为“巴伐利亚机械制造公司”的宝马公司,想到啤酒。但绝大部分人不知道的是:这里还诞生了天体物理学之父——约瑟夫·冯·夫琅和费。

  夫琅和费1787年出生于巴伐利亚一个贫困的玻璃匠家庭,是这个家庭的第11个孩子。10岁与11岁时,夫琅和费先后失去母亲与父亲,成为孤儿。为了生存,他进入一家玻璃制造坊做童工。1801年,夫琅和费工作的破旧车间突然倒塌,14岁的他差点被压死。

  这场灾难也意外地给这个少年带来了人生的最大转折——这次救援的负责人是后来成为巴伐利亚王国国王、当时已是侯爷的马克西米里安。侯爷非常同情夫琅和费,给了他一些书籍,并迫使玻璃制造坊的老板允许他花时间学习。

  1806年,19岁的夫琅和费来到一家顶尖水平的光学研究所学习光学仪器制造工艺。夫琅和费聪明勤勉,不断磨制各种镜片、改进各种光学仪器,很快成为当时世界顶尖的光学仪器制造专家和当时世界上最伟大的望远镜制造者,也使巴伐利亚取代英国,成为当时世界上光学仪器工业的中心。但夫琅和费一生中最杰出的成就却不是为别人提供最好的天文仪器,而是使用自己制造的仪器分解太阳光与星光,并创立起一个全新的学科——天体光谱学,即天体分光学。

  在夫琅和费之前,其实已经有人用棱镜分光。最著名的是牛顿,他用三棱镜将小孔里穿过的阳光分成多种颜色,展开后的图就是牛顿命名的“光谱”,牛顿得到的光谱是非常粗糙的,很多细节无法显现。后来,英国化学家沃拉斯顿让阳光从狭缝穿过并用更好的棱镜来分解阳光,于1802年发现阳光的光谱中有4条暗线,但他的结果没有引起人们注意,他也没有继续研究。

  1814年,27岁的夫琅和费将自己磨制的棱镜与一个小望远镜组合,他用这个空前精密的棱镜分解火焰的光,透过望远镜直接观察,发现其中总有橙色明亮线。然后他用棱镜重复牛顿的实验。他原以为自己会在望远镜中看到明亮的线,但结果却恰恰相反,他看到的是一个连续的明亮带,其中又嵌着574条暗线,远超过沃拉斯顿发现的4条,这些线在光谱图中的位置是固定的。

  为确定这些暗线是不是仪器的缺陷导致,夫琅和费用多种人造光来做这个实验,发现那些暗线不再出现,这证明仪器并没问题。他还证明了那些线中的绝大部分不是地球大气产生的。因此,他确信这些线携带着太阳自身的信息,并用字母给太阳光谱中一些特别明显的暗线编了号,这些线也被后人称为“夫琅和费线”。夫琅和费还将天狼星等明亮恒星发出的光分解,也发现了很多暗线。

  在夫琅和费发现那些神秘暗线时,所有人都无法解释它们。1859年,著名物理学家基尔霍夫利用当年夫琅和费亲手磨制的石英三棱镜组装出一台光谱仪,和著名化学家本生在实验室用本生发明的“本生灯”燃烧各种元素,并认真观察光谱,解开了谜团:太阳炽热表面的各种原子发出各种各样的光,这些光经过太阳外部相对冷的大气时,大气中的一些原子分别“拦截”了同类原子发出的光,导致光谱图中某些位置的光变暗,形成了夫琅和费线。

  根据这个原理,只要人们能在实验室中将各种元素发出的光的特征线一一确定,就可以根据太阳的夫琅和费线推断出太阳大气中有哪些元素。著名哲学家孔德曾断言:人类绝不可能得知恒星的化学成分。就在孔德去世后两年,夫琅和费线的秘密被解开,人类从此可以借助夫琅和费发明的光谱仪分析出太阳与其他恒星的化学成分,孔德的断言被直接否决了。

  尽管夫琅和费始终不知道他发现的那些暗线的物理起因,但他的精密棱镜与望远镜的组合却成为世界上第一个真正的光谱仪,此后同类光谱仪的核心部件都与其类似。天文学家用光谱仪分解星光,得到光谱;再根据光谱中的各种线,确定天体中含有的元素。夫琅和费发现的夫琅和费线,又是天体光谱学研究的真正发端。天文学家用光谱仪分解星系发出的光,结合照相术,在底片上获得光谱,然后测量光谱中各种线的移动,计算出星系的运动速度,这最终又催生了宇宙学。天体光谱学与天体测光学是天体物理学的两大基石,光谱学尤其体现了天体物理学的特征。夫琅和费因此被誉为“天体光谱学之父”与“天体物理学之父”。

  但夫琅和费却没能看到此后的这一切,由于长期与当时玻璃工艺必需的重金属蒸汽接触,一直未婚的他于1826年在慢性中毒与肺病的折磨下英年早逝,年仅39岁。此时距夫琅和费线的秘密被揭开,还有33年。为纪念这位天体物理学之父,人们在他的墓碑上刻上望远镜和太阳,并在墓前的石制花盆上刻下“Approximavit sidera”——“他使星星变近”。(王善钦)

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