光谱的量级

如果你在报纸上读过天文学知识，很可能会看到一些文章，描述天文学家以惊人的准确性分析遥远物体的组成，说我们能测量太阳，计算其中铁、碳和氧的含量，误差不超过百分之一。其实用同样的方法，我们也可以剖析更遥远的天体——我们可以清点数百光年外恒星的组成，甚至数百万光年之外的星系也不在话下，仿佛已将天体整齐摆在解剖台上一般。更重要的是，这种力量（在古代肯定会让天文学家五体投地）在现代科学看来稀松平常，很容易让人们忽视我们随随便便就能完成的非凡壮举。

这一切都始于牛顿去世后的150年。在此期间，科学家开展了大量的光学实验，为此就需要透镜和棱镜。17世纪和18世纪，玻璃制造工艺尚未成熟，所以当时科学家使用的大量实验设备以如今的标准来看，都只能称为次品。现在该约瑟夫·夫琅和费（Joseph von Fraunhofer）登场了。夫琅和费是德国巴伐利亚州的一名玻璃匠，对玻璃有着不同寻常的痴迷和天赋。19世纪初，夫琅和费正在制作透镜和镜子，时常对当时玻璃的缺陷而烦恼。为了改良技术，他开始了大胆的创造，发明了一系列机器和设备，目的就是要接近完美——打造美丽无瑕的玻璃。

1814年，夫琅和费的杰作问世——这是一副清晰度堪称艺术品的棱镜。相比之下，牛顿在斯图尔布里奇集市的那副只是孩子的玩具。高质棱镜在握，夫琅和费不仅能够从阳光中分离出光谱，展示我们熟悉的彩虹，还揭露了一些新现象：光谱中充斥着暗色线条，宛如隐藏的森林零零散散点缀在色彩之中（图1.1）。

最长的波长出现在左上方，它层层环绕（像一页纸上的句子）直到右下方最短的波长。垂直的黑线位于太阳光谱的特定段上。只需要观测太阳发出的光，我们就能知道它的内部是什么。

这些隐藏在图中的黑线是什么呢？

想要理解答案，我们首先要谈谈原子。原子的基本模型宛若迷你太阳系——微小的电子环绕原子核运动，酷似行星之于太阳。顺便提一下，这个模型是错误的；事实上，电子并非以圆形轨迹去围绕原子核整齐运转的粒子。现代量子理论中，电子更似模糊的波，仿佛将电子涂抹在一个离奇的“概率分布”空间，真正的电子粒子像幽灵一样遍布该空间，既同时存在于多个位置，又似乎哪里也不存在。但就我们的讨论而言，把原子理解为迷你太阳系的样子就够了——俗话说，模型即谬误，有用足矣。

想象最简单的原子“氢”，仅由一个质子和一个电子组成，再无他物。质子位于原子的中央，电子体积很小，在轨道上围绕质子转动。你也可以想象这个原子周围有一系列电子可以置身其中的同心“槽环”，而电子有点儿像一枚置于空工具箱中的螺丝。在正常情况下，电子很“乐意”一直在第一个槽里转动。但如果你恰好用一个光子撞击，就能给它足够的能量，跳出小槽，落入下一个槽中（或者更高的槽，能量够的话可以跳过一两个槽）。实际上，我们把这些不同的槽称为“能级”，较高槽中的电子能量更多。

我将其比作“槽”是因为电子对外部施加的能量很挑剔，只能接收恰到好处的能量。给电子“跳槽”所需能量的90%，是无法改变其能级的——电子要么全有要么全无，不存在两槽之间的灰色地带。但是，如果你用恰好合适的能量撞击原子，电子就会笑纳能量，并以此“跳槽”到更高的能级。

现在我们往后退一步，想象一下，眼前观察的不是一个原子而是一团原子云，有数万亿原子，每个电子都时刻准备接受光子能量的小冲击。现在，用阳光穿透原子云。正如牛顿的发现，阳光是由各种光谱混合而成的——从红光端（能量最低）到紫光端（能量最高）。当这些颜色穿过原子云时，等待的电子将会挑选出并吞噬某个具体的颜色——也就是具体的波长，该波长恰好具有支持“跳槽”的能量。因为电子跳槽就像坐公交车买票一样，只接受刚好的能量，不找钱，哪怕左右的光仅有一丁点能量差异，也不会受到影响。当然，一粒原子吸收不了多少光，但如果对象是一小片气体云（例如，充满一个房间的空气），也有着一万亿个原子，每个原子都有自己偏爱的颜色。所以穿透后的阳光会缺少一些成分，最终的光谱不是完整的，存在残缺；会有一条条暗带，标记着“原子云”中各成分吸取的具体波长，即某个特定颜色已被云中的某个原子吞噬。

当然，由于原子有许多槽，电子实际上也有很多种跳跃的方式。可以从第一槽跳入第二槽、第三槽或第四槽，也可以从第三槽直接跳到第五槽或者从第二槽直接跳到第六槽。每次“跳槽”都需要支付特定的能量消耗（你很可能已经猜到，跨度越大，能量消耗得就越多），每种跳法都对应着独特的颜色。因此，我们看到穿透原子云的光线会有很多条黑带，各自代表某类电子跳跃的印记。别忘了，这只是最简单的氢——只有一个电子在能级上下跳跃。稍微复杂的原子（比如有8个电子的氧），会产生更复杂的“暗线林”。电子结构越复杂，暗带就越多。太阳内部混杂的多种原子共产生了大约2.5万条“夫琅和费线”，都隐藏在我们熟悉的阳光中。

该过程也有逆反应——电子不仅能吸收光，激活状态的原子有时也会突然释放某个特定波长的光子，产生明亮的“发射线”条纹，增强光谱上相应的颜色。科学家灵活运用这两种类型的光谱线——暗吸收线和亮发射线，帮助我们了解宇宙的组成。

每种原子或分子都会产生独特的吸收线或发射线。氢和氧不同，氧和水不同，水和铁也不同。因为每种原子都会产生独有的特征，最终白光上形成烙印的线条森林就如同指纹一般——独一无二，幕后有哪些原子均可一一识别。这种“特征谱线”是我们概念工具箱的另一位成员。天文学家正是借此工具，才能如此有效地剖析天体；我们可以事先在实验室收集纯氢或纯氧的特征谱线，然后用望远镜观察遥远的星系，寻找共同特征。观测某个遥远恒星时，根据隐藏在其光谱中的线，恒星中具体有多少氧、氮、硫也就一目了然了。

这个发现不仅告诉我们遥远的天体由什么组成，还揭露了更深层的含义：地球上能找到的原子是宇宙通用的。不论宇宙的哪个角落，可观测到的隐藏线条均遵守同样的规律。事实证明，地球上的氦和太阳中的氦无异——遥远的星系中亦然。如果拿出你肺里的氧原子，与100亿光年之外的星系中的氧做对比，你是找不到区别的；你血液里流淌的铁原子，锻造于一个垂死的恒星之心，与浩瀚宇宙中每一个铁原子相同，犹如孪生姊妹。我们可以测量遥远的恒星和银河，然后发现人类的构成与宇宙万物本质相同。正如诗人麦克斯·埃尔曼（Max Ehrmann）所说：“你是宇宙之子，与树木和星火同根。” 2JYHTZbsDm2boHOT2lyYtwXzV0DUMXRfeZN1+WagCBu0aP78qQMa8bTOk2HodRO/