宇宙膨脹背后的故事（之四）：察顏觀色識(shí)星移 程鶚·
赫歇爾的兒子約翰·赫歇爾（John Herschel）在他的父親和姑姑的影響下也成為一位出色的天文學(xué)家，是英國(guó)王家天文學(xué)會(huì)的創(chuàng)始人之一并幾次擔(dān)任會(huì)長(zhǎng)李丰。他子承父業(yè)启摄，也熱衷于埋頭數(shù)天上的星星。在現(xiàn)實(shí)世界里，他對(duì)新發(fā)明的照相術(shù)發(fā)生了濃厚興趣，精于照相底片的化學(xué)遮斥。后來流行的行話“負(fù)片”（negative）、“正片”（positive）等便是他的首創(chuàng)克婶。
照相機(jī)的發(fā)明自然也引起了天文愛好者的躁動(dòng)筒严。在底片上留下星星的倩影成為19世紀(jì)中葉有錢有閑階層的新挑戰(zhàn)。這個(gè)剛問世情萤、靠玻璃板上涂抹化學(xué)試劑攝影的新技術(shù)在捕捉微弱的星光上還真是勉為其難鸭蛙。在長(zhǎng)達(dá)幾小時(shí)的連續(xù)曝光過程中，碩大的望遠(yuǎn)鏡需要平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動(dòng)筋岛，跟蹤正在“斗轉(zhuǎn)星移”的目標(biāo)娶视。攝影者同時(shí)還得像狙擊手一樣盯著目鏡監(jiān)視，時(shí)刻調(diào)整以確保目標(biāo)鎖定在十字線的中央。
1840年肪获，美國(guó)人約翰·杜雷伯（John Draper）成功地拍攝了第一幅月亮照片寝凌。1850年，哈佛天文學(xué)家邦德（William Bond）拍出了織女星（Vega）——人類第一張?zhí)栆酝獾暮阈钦掌⒑铡５?860年代后期较木，玻璃底片完成了從濕版到干版的過渡，不再需要搶在試劑干燥之前完成攝影青柄，曝光時(shí)間得以大大加長(zhǎng)伐债。1880年，約翰·杜雷伯的兒子亨利·杜雷伯（Henry Draper）拍出了第一張星云照片致开。
古人看星星峰锁，除了它們的位置（即所在的星座），只有很少幾個(gè)特征可以互相比較：大小双戳、亮度虹蒋、顏色。在照相技術(shù)出現(xiàn)之前拣技，這些都只是肉眼觀察千诬、記錄的結(jié)果，帶有很強(qiáng)的主觀偏見膏斤。飄忽不定的地球大氣層對(duì)星光的干擾也帶來更多的不確定因素徐绑。
照片上的影像終于讓天文學(xué)進(jìn)入了精確、客觀測(cè)量的新時(shí)代莫辨。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶煳膶W(xué)家在每幅照片上都會(huì)記錄曝光時(shí)所用的望遠(yuǎn)鏡傲茄、時(shí)間、角度沮榜、天氣狀況等因素盘榨，然后依據(jù)既定的公式計(jì)算、修正測(cè)量出的星星大小和亮度蟆融。
更大的突破卻是來自顏色草巡。
彩虹是常見的自然景象，曾引得無數(shù)文人騷客為之感慨抒懷型酥、浪漫想象山憨。彩虹不只是出現(xiàn)在雨后的斜陽照耀，而是在瀑布弥喉、水泡郁竟、玻璃折射下都能經(jīng)常看到由境。
早年物理學(xué)家——包括英國(guó)的虎克（Robert Hooke）——認(rèn)為這是因?yàn)榘坠馔ㄟ^這些物體時(shí)被染上了顏色棚亩。
牛頓不滿意這個(gè)解釋蓖议。他在1666年進(jìn)行了系統(tǒng)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明并非如此。他的設(shè)計(jì)相當(dāng)簡(jiǎn)單：在一個(gè)棱鏡把太陽光分離成斑斕的彩虹后讥蟆，他讓分離出的紅光光束再通過另一個(gè)棱鏡勒虾，發(fā)現(xiàn)出來的依然只有紅光——第二個(gè)棱鏡沒能將紅光再染上別的顏色。然后攻询，他又讓第一個(gè)棱鏡分離出的所有顏色的光再通過倒過來的第二個(gè)棱鏡从撼，發(fā)現(xiàn)那七彩的光又重新組合，恢復(fù)成了白光钧栖。這樣低零，他指出顏色是光本身的屬性。棱鏡不具備染色的功能拯杠，只是在改變不同顏色的光的路徑掏婶，因此可以分離、重組顏色潭陪。
牛頓相信光束是由微小雄妥、肉眼不可見的粒子（corpuscle）組成，這些微粒與其它物體一樣遵從他發(fā)現(xiàn)的動(dòng)力學(xué)定律依溯。他推測(cè)光粒子通過棱鏡表面時(shí)受到了一種力老厌，因此改變了路徑。他假設(shè)這個(gè)力對(duì)所有光粒子是一樣的黎炉，路徑扭曲程度便取決于粒子的質(zhì)量枝秤。因此，他認(rèn)定紅光的微粒質(zhì)量最大慷嗜，光路被扭曲的程度最械淼；而紫光則反之庆械。
當(dāng)然薇溃，牛頓看到的分離出的太陽光與我們?nèi)粘？吹降牟屎缫粯隅猿耍且坏缽募t到紫連續(xù)變化的亮色沐序，并沒有紅光、紫光的界別堕绩。他把這個(gè)分離——“色散”（dispersion）——出來的連續(xù)顏色系列叫做“光譜”（spectrum）薄啥。參照樂譜中的音符，他大致地劃分出七種顏色逛尚，相當(dāng)于我們今天常說的“赤橙黃綠青藍(lán)紫”。
雖然他的雙棱鏡實(shí)驗(yàn)令人信服地確立了顏色是光的屬性刁愿，他的“微粒說”解釋卻很快被拋棄绰寞。相繼觀察到的光的衍射、干涉、偏振現(xiàn)象無法用粒子運(yùn)動(dòng)解釋滤钱，因此微粒說被更早由虎克觉壶、惠更斯（Christiaan Huygens）等人提出的“波動(dòng)說”取代。光束與聲音件缸、水面漣漪一樣是一種波動(dòng)铜靶，光的不同顏色來源于波動(dòng)的不同頻率：紅光的頻率最低，波長(zhǎng)最大他炊；紫光則頻率最高争剿，波長(zhǎng)最小。
大約150年之后痊末，德國(guó)一個(gè)玻璃坊工匠弗勞恩霍夫（Joseph von Fraunhofer）注意到他生產(chǎn)的棱鏡產(chǎn)生的光譜中有一些細(xì)細(xì)蚕苇、不易察覺的黑線。他精益求精地優(yōu)化工藝凿叠，試圖消除這些瑕疵涩笤。經(jīng)過不懈的努力，他制作出當(dāng)時(shí)最優(yōu)質(zhì)的玻璃盒件，引領(lǐng)德國(guó)超越英國(guó)成為世界光學(xué)儀器中心蹬碧。但光譜里的那些小細(xì)線卻依然如故。
弗勞恩霍夫領(lǐng)悟到這不是玻璃的毛病炒刁，而也是來自光本身恩沽，因?yàn)槟切┖诰€在光譜中的位置——也就是頻率——非常固定。他把比較明顯的一些黑線用字母順序標(biāo)識(shí)出來切心，最引人注目的是黃光區(qū)有兩條相挨著的粗線：“D-雙線”飒筑。后來他又把望遠(yuǎn)鏡與棱鏡結(jié)合起來，可以更清晰地觀看太陽的光譜绽昏，赫然發(fā)現(xiàn)其中居然有成百上千條這樣的黑線协屡。由此，他發(fā)明了光譜儀（spectroscope）全谤。
弗勞恩霍夫從小是個(gè)孤兒肤晓，沒有系統(tǒng)地接受過正規(guī)教育。但他不僅在玻璃工藝上做出了杰出貢獻(xiàn)认然，還成為光學(xué)專家补憾。除了光譜儀，他還根據(jù)光波的原理發(fā)明了“衍射光柵”（diffraction grating）卷员，能比棱鏡更有效地分離盈匾、辨識(shí)光譜。遺憾的是毕骡，他39歲時(shí)就去世削饵，至死沒能明白那些黑線是什么岩瘦。
30多年后，德國(guó)海德堡大學(xué)的物理學(xué)家基爾霍夫（Gustav Kirchhoff）和化學(xué)家本生（Robert Bunsen）合作才揭開了這個(gè)謎窿撬。
早在唐宋年代启昧，中國(guó)人已經(jīng)制作出煙花焰火，增添節(jié)日的喜慶劈伴。焰火的原理是一些礦物質(zhì)在受熱后會(huì)發(fā)出不同顏色的光密末。基爾霍夫和本生發(fā)現(xiàn)這些顏色來自礦物質(zhì)中含有的化學(xué)元素跛璧。他們花了很大的工夫提純严里，然后用本生發(fā)明的“本生燈”（Bunsen burner）逐個(gè)加熱純化的元素，用光譜儀觀察它們熾熱時(shí)發(fā)出的光赡模。
這時(shí)他們看到的不是七彩的彩虹田炭，而只是一條條細(xì)細(xì)的、明亮的線條漓柑。令人
驚奇的是每種元素有著自己特定的譜線教硫，猶如可辨認(rèn)的指紋。尤其是金屬鈉辆布，加熱后有兩道亮麗的黃色譜線瞬矩，恰恰就在弗勞恩霍夫的“D-雙線”的位置。
基爾霍夫意識(shí)到他們看到的亮線與弗勞恩霍夫發(fā)現(xiàn)的暗線其實(shí)是同一個(gè)現(xiàn)象的兩面：前者是元素受熱時(shí)發(fā)射的光锋玲，后者則是同一種元素從白光中吸收了同樣頻率的光后留下的“黑影”景用。因此，無論是看到亮線還是暗線惭蹂，光譜儀都可以用來識(shí)別該元素伞插。一個(gè)晚上，他們從實(shí)驗(yàn)室看到遠(yuǎn)處發(fā)生火災(zāi)盾碗，便好奇地將光譜儀對(duì)準(zhǔn)那火光媚污。果然，他們?cè)诠庾V中找到鋇廷雅、鍶等元素的“指紋”耗美，正是起火倉(cāng)庫里存有的貨物。
在那之后航缀，眾多的科學(xué)家便將太陽光譜中那些暗線與地球上觀察到的元素
“指紋”一一對(duì)比商架，很快辨認(rèn)出太陽上有氫、氧芥玉、碳蛇摸、鈉、鐵……等元素灿巧，與地球上的相應(yīng)元素并無二致赶袄。當(dāng)一道黃色譜線找不到對(duì)應(yīng)元素時(shí)诬烹，他們大膽猜測(cè)那來自一個(gè)太陽上才有的新元素，以希臘文的“太陽”命名為“氦”弃鸦。十幾年后，氦才在地球上被發(fā)現(xiàn)幢痘，證實(shí)這個(gè)元素的存在唬格。
于是，天文愛好者又興致勃勃地把光譜儀連接到望遠(yuǎn)鏡上颜说，要一舉探究恒星的構(gòu)成购岗。微弱的星光被棱鏡色散之后就更難以捕捉。但有了用照相機(jī)長(zhǎng)期曝光的技術(shù)之后门粪，這只是一個(gè)耐心和技術(shù)的問題喊积。
1863年，在30歲時(shí)突然變賣紡織家業(yè)而投入天文觀測(cè)的英國(guó)人哈金斯
（William Huggins）成功拍攝到第一張恒星的光譜照片玄妈。1872年乾吻，亨利·杜雷伯拍攝到織女星的吸收譜線。及至1880年代拟蜻，即使是肉眼看起來模糊不清的星云绎签，也在哈金斯、杜雷伯等人的玻璃底片留下了光譜“指紋”酝锅。
很快诡必，哈金斯發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)恒星的光譜與太陽光譜大同小異，也就是它們的成分對(duì)我們來說都不陌生搔扁。他興奮地宣布：“每個(gè)星星閃爍的地方爸舒，都有太陽系的化學(xué)「宥祝”（“The chemistry of the solar system prevailed, wherever a star twinkled.”）也許美中不足的是扭勉，他沒能像氦那樣在外太空發(fā)現(xiàn)新的未知元素。
1840年代初场绿，奧地利的多普勒（Christian Doppler）也對(duì)星星看上去有不同的顏色很感興趣剖效。他覺得他明白個(gè)中緣由，因?yàn)樗⒁獾讲ǖ念l率并不是絕對(duì)的焰盗，而是會(huì)隨著觀察者與波源的相對(duì)速度改變璧尸。
1845年，荷蘭氣象學(xué)家巴洛特（Christophorus Buys Ballot）專門請(qǐng)了一個(gè)樂隊(duì)站在行駛中的敞篷火車上吹號(hào)熬拒，他在站臺(tái)上聽到了“走調(diào)”：火車開過來時(shí)號(hào)聲的音調(diào)偏高爷光，離去時(shí)則偏低，因此證實(shí)了這個(gè)“多普勒效應(yīng)”澎粟。如果我們注意傾聽行駛中的火車?yán)懙钠阎颍蚓嚨木鸦兜桑材茏⒁獾酵瑯拥默F(xiàn)象。
多普勒認(rèn)為光作為與聲波類似的一種波徐裸，也會(huì)有同樣的效應(yīng)遣鼓。他覺得星星應(yīng)該是都在發(fā)同樣的白光，不過有些星可能在運(yùn)動(dòng)中重贺。如果它們沖著我們過來骑祟，光的頻率會(huì)像號(hào)音走調(diào)一樣移向高頻，看起來就會(huì)偏藍(lán)气笙。反之次企，如果星星離我們遠(yuǎn)去，它就會(huì)顯得偏紅潜圃。
可惜的是他忽略了一個(gè)細(xì)節(jié)：星星的光譜與太陽一樣是彩虹般的連續(xù)譜缸棵，其中頻率無論是往高（“藍(lán)移”）還是往低（“紅移”）移動(dòng)，整體的色彩不會(huì)有多大變化——如果黃光因?yàn)榧t移變成了橙光谭期，原來的綠光就會(huì)同時(shí)變成黃光補(bǔ)上堵第。
還是基爾霍夫?yàn)樾切堑纳{(diào)提供了更合理的解釋。他發(fā)現(xiàn)崇堵，只有本生燈燒出來的熾熱稀薄氣體才會(huì)出現(xiàn)分離的譜線型诚。固體、液體甚至密度高的氣體加熱后發(fā)出的都是連續(xù)光譜鸳劳。在不同溫度下狰贯，光譜會(huì)略有不同。溫度低時(shí)赏廓，紅色比較顯著涵紊，溫度高時(shí)，藍(lán)色幔摸、紫色則更醒目摸柄。
自古以來，打鐵既忆、燒窯等需要高溫的工匠都掌握著一手絕活：看火色——看看火中的顏色就能判斷出火候驱负，亦即溫度。這招之所以好用患雇，基爾霍夫發(fā)現(xiàn)是因?yàn)椤盎鹕迸c火焰中的物質(zhì)無關(guān)而完全由溫度決定跃脊。他把這種熱輻射叫做“黑體輻射”（black-body radiation）。
太陽也是這樣一個(gè)發(fā)光的物體苛吱。他根據(jù)其光譜判斷太陽其實(shí)是一個(gè)溫度達(dá)幾千攝氏度的大火球酪术。同樣，我們觀察到遙遠(yuǎn)的恒星呈現(xiàn)出偏紅、偏黃绘雁、偏藍(lán)的色彩也是因?yàn)樗鼈冇兄煌谋砻鏈囟取?/p>
其實(shí)多普勒最初的想法也并不完全離譜橡疼。雖然從連續(xù)的光譜的確看不出運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的頻移，光譜中的那些細(xì)細(xì)的譜線（“指紋”）卻每根都有著確定的頻率位置庐舟。因?yàn)橐呀?jīng)可以確信恒星欣除、太陽都是由與地球上相同的元素組成，我們可以比較同一元素的譜線的頻率位置挪略，看看來自恒星的譜線是不是帶有多普勒效應(yīng)帶來的紅移或藍(lán)移耻涛。
哈金斯是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)這樣的頻移的。
自從羅斯伯爵發(fā)現(xiàn)渦旋狀的星云瘟檩、康德提出銀河是一個(gè)旋轉(zhuǎn)中的大盤子后，恒星位置不恒定澈蟆，而可能是在運(yùn)動(dòng)中這一猜想已經(jīng)不再駭人聽聞∧粒現(xiàn)在，光譜線的多普勒效應(yīng)不僅能讓我們確定它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)趴俘，還能很簡(jiǎn)單睹簇、精確地計(jì)算出它們相對(duì)我們運(yùn)動(dòng)的速度。（這里所說的運(yùn)動(dòng)寥闪、速度都是“徑向”的太惠，也就是星星沿著我們和它的視線上的運(yùn)動(dòng)、速度疲憋。有些星星也有“橫向”的運(yùn)動(dòng)凿渊，天文學(xué)上叫做“自行”（proper motion）。那種運(yùn)動(dòng)沒有多普勒效應(yīng)缚柳，只能通過相對(duì)于其它恒星背景的視差判斷埃脏。）
巴洛特很容易就聽出了火車上號(hào)音的變調(diào)。但如果他同時(shí)在火車上裝置某種顏色的燈來觀察光的頻移秋忙，這個(gè)實(shí)驗(yàn)卻會(huì)失敗彩掐。因?yàn)槎嗥绽招?yīng)中的頻移大小取決于火車速度與波速之比。與光速相比灰追，火車的速度微不足道堵幽，不可能觀察到多普勒效應(yīng)。
但哈金斯能看到星星光譜中的多普勒效應(yīng)弹澎，說明星星不僅在運(yùn)動(dòng)朴下，而且速度很大，能與光速相比而不可忽略裁奇。的確桐猬，他估算出御夫星（Capella）的速度達(dá)每秒30公里，也就是光速的萬分之一刽肠。（嚴(yán)格來說溃肪，如此高速運(yùn)動(dòng)的多普勒效應(yīng)需要做狹義相對(duì)論修正免胃，但愛因斯坦還要再等11年后才出生。）
看看漫天的繁星惫撰，想象一下它們正在以非常高的速度“瘋狂”地奔波著羔沙。我們這個(gè)宇宙這是怎么啦？
隨著越來越多數(shù)據(jù)的積累厨钻，天文學(xué)家很快意識(shí)到只有很少的星星或星云——比如那個(gè)讓馬里烏斯納悶的仙女星云——在朝著我們奔來扼雏。絕大多數(shù)的星星、星云卻似乎都在“義無反顧”地背離我們而去：它們的譜線全都呈現(xiàn)出不同程度的紅移夯膀。
這就十分地詭異了诗充。
（未完待續(xù)）
