光譜學的內容究竟是什麼,它對研究宇宙有什麼作用嗎?

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問：完整的問題因該是究竟什麼是光譜？絕對黑體的光譜是什麼樣的？不同的物體為什麼有不同的光譜？什麼是光譜學？光譜學在科學領域有什麼應用？為什麼天體中不同的元素會發出不同頻率的光譜？

答：物理學家認為，光譜其實是由來自許多不同的發光物體發出的光（譬如天空中的星光，或者你家中的檯燈等等）中不同頻率的光線構成的。譬如，雷射就由非常窄的光譜構成的（一束雷射幾乎完全在同一頻率震動），然而太陽卻有著非常廣闊的光譜構成（太陽光或者說自然光中包含著許多不同頻率的光線）。至於「光譜學」則是一門通過觀測特定物體發出或者吸收光線的光譜（在某些情況下，觀測其吸收的它源光線中某些特定頻率的光波），從而收集對應信息的學科。

還有一種令人驚訝的光譜來自於絕對黑體，我們稱之為「黑體光譜」。黑體光譜中特定頻率（v）的光線強度（I）可以由下式給出，式中h，c，k分別為普朗克常量，光速，玻爾茲曼常數。

仔細看一下該公式，會得出一個驚人的結論：方程中唯一的變量就是溫度（T）！因此，黑體的光譜完全由其溫度決定。許多熱源發出光線的光譜可以化簡成為近似黑體。譬如，白熾燈泡、燒得通紅的鐵水，火焰，人體，行星等都是此類熱源。這種光源發光的原因是物體內部的原子之間的互相碰撞，從而失去能量後以光線的形式「濺出來」（原子之間的猛烈碰撞可以導致電子的劇烈抖動，從而使得這些抖動的電荷發出光波）。隨著溫度的增加，黑體光譜的極點向更高頻率移動。天鵝座的一個雙星系統是一個絕佳的兩種不同溫度物體的例子，通過兩種顏色表示各自的溫度。

通過分析特定光源的光譜可以得到關於光源的構成，溫度的信息，甚至連光照通路上經過的物體也可以推測出來。原子中的電子實際上存在於特定的能級中。因此，電子在發生能級躍遷時，可以通過吸收或者發出特定數值的能量，從而吸收或者發出與之對應特定波長的光波。某種元素髮出的全部光波中不同頻率（波長）構成集合稱之為其原子光譜。

左圖：亞、氦、氫、汞元素的光譜。右圖：你可以通過使光線穿過含有不同氣體的衍射光柵或者稜鏡來辨別其含氣種類。

不同元素的原子核內有不同數目的質子，元素質量數越大將意味著更強的電磁引力作用到外部的電子上，將會導致這些圍繞著原子核轉動的電子之間產生一些奇特的、並且異常複雜的非線性相互作用。因此，不同元素之間電子數目的差異將產生完全不同的光譜。在實際分析中，除了最簡單的氫元素之外，其他的元素光譜通常都需要強大的計算機來輔助才能實現準確的計算。

這裡還存在一個與元素髮射光譜相對應的概念，叫做「吸收光譜」。眾所周知CO2（二氧化碳）是重要的溫室氣體之一，這是因為二氧化碳的吸收光譜中，紅外線的頻率佔有相當大的比例。

在太空中看到的太陽的光譜（因為真空環境更幹擾較少，光譜更為清晰）。

光譜中的間隙可以判斷出太陽的外層有什麼氣體。

因此，通過光譜分析，可以快速得出光源的化學構成，並且經過仔細分析測量光譜中每條線（通過光學手段分離出不同頻率的光波）的亮度，甚至可以分析出不同化學元素的比例。

更神奇的是，全宇宙中任何原子的光譜都是相同的，因此，當我們觀察到某顆天體光譜中的來自於氫元素光譜線，隨著時間向整體向低頻方向移動（光譜中漸趨於最清晰並且最明顯的一條）時，根據都卜勒效應解釋該現象，可以推測該天體在不斷的遠離我們。這種被觀測天體的光譜中紅色線條漸變為更深的現象，也稱之為「紅移現象」。

通過對某些地球上的物質樣本進行光譜分析，可以快速確定樣本成分及構成比。譬如我們可以通過在太空中觀測並分析被大氣過濾後太陽光光譜的方法，快速檢測大氣中的臭氧濃度，水蒸氣濃度（溼度），甚至還可以用來測空氣汙染中微粒的尺寸。然而，由於在實踐中有許多更好的方法（化學方法）來替代上述過程。因此除了在一小部分領域，光譜分析技術並不是非常流行。

值得一提的是，雷達槍及紅外線測溫儀本質上都是一個具有特定並且單一功能的光譜分析儀。

然而，到了天文學領域，光譜學便有了廣闊的應用，因為天文學家們並沒有什麼更好的研究工具替代它。動物學家可以去聞標本的味道，電氣工程師能體驗到電擊，然而天文學家只能死死的凝望天空，以及測量光譜。即便對於未知行星的發現，也是通過觀測該行星圍繞其母恆星轉動時所引發的母星位移時導致其光線發生紅移和藍移來發實現的。而對於太空中的許多星雲和氣團的發現，則是通過觀察其他天體發出的光線透過這些物質時產生的吸收光譜來實現的。

並且實際上所有的我們所了解的關於太陽系外（任何超出了「快看那個星星！」）的知識，都是基於觀譜學技術發現的。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. askamathematician- The Physicist

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