宇宙大爆炸是由誰發現？

自古以來，在人們的經驗中，太陽光是一種白色光，就是你在正午直視太陽所能看到的顏色（僅作事實描述，該行為會損害眼睛，切勿嘗試）。但是這種基於樸素經驗的認知因一位天才的出現而被顛覆，他就是人類歷史上最偉大的天才科學家艾薩克·牛頓。

稜鏡分光

1665年至1666年間，一場導致8萬人死亡的世紀大瘟疫席捲倫敦，劍橋大學為避免學生之間互相傳染而停學關閉，牛頓回到家鄉躲避瘟疫。而正是這兩年，百無聊賴的牛頓創造力爆發，同時在力學、數學和光學三個不同的方向取得突破，不過今天我們只討論他在光學方面的研究。

大約在1666年，牛頓首先在光學實驗中發現當太陽光通過三稜鏡後，會被分解成七種顏色的光。

牛頓認為這是由於不同的光有不同的折射率造成的，這種現象被稱為色散，牛頓這一發現也成功解釋了彩虹產生的原因。

不過由於當時牛頓對於光的性質認識的偏差，他並沒有正確解釋這種現象。他當時認為光是一種粒子，而不同顏色的光粒子與透明介質相遇會產生不同的折射率，這在當時來說，解釋也還是挺合理的。

雙縫幹涉實驗——光是波？

到了19世紀初，一位天才的英國醫生、英國皇家學院自然哲學教授託馬斯·楊做了一個物理史上最偉大的實驗——楊氏雙縫實驗，無可置疑地證明光是一種波，因為只有波具有幹涉的現象，牛頓對稜鏡分光的解釋不成立了。

不過這位什麼都懂的天才利用該實驗同時測量出不同顏色光的波長，他提出不同的顏色的光對應著不同的波長，而波長越長，折射率越低，波長越短，則折射率越高，以此完美解釋了牛頓的稜鏡分光實驗。

太陽光譜裡的神秘暗線

同樣在19世紀初，一位同是英國的物理學家威廉·沃拉斯頓升級了牛頓的稜鏡分光實驗，在太陽和三稜鏡之間增加了一道狹縫，讓太陽光經過狹縫後照射到三稜鏡上，他從三稜鏡分解出的連續光譜中發現了一些暗線，但他當時並不知道這是什麼。

12年後的1814年，一位德國的物理學家約瑟夫·夫琅和費製造了一臺分光儀，它除了在太陽與三稜鏡之間增加了一道狹縫，還在狹縫與三稜鏡之間再增加了一個準直透鏡，使經過了狹縫的太陽光又變成了平行光，然後又在三稜鏡後面增加了一個望遠鏡。結果，夫琅和費從望遠鏡裡看到了在太陽光譜中存在大量密密麻麻的暗線，他花了約三年的時間，從太陽光譜裡一共數出了570多條暗線，我們現在把它稱為夫琅和費線。但跟沃拉斯頓一樣，他同樣不知道這些暗線是怎麼回事。

化學元素光譜裡的特徵亮線

到了19世紀中期，一位德國的化學家羅伯特·本生發明了一種改良型的煤氣燈，現在稱為本生燈。這種燈是由特定比例的空氣-煤氣的混合氣體完全燃燒產生的高溫火焰。在煤氣不完全燃燒時，火焰呈黃色，溫度較低，當增加空氣比例，讓煤氣充分燃燒，火焰溫度會越來越高，火焰顏色會越來越紫，當空氣-煤氣的混合比例達到3:1時，火焰的溫度接近甚至超過1000度，火焰變得接近無色，其實是所發的光大部分不可見了。

本生想要利用本生燈來發現新元素，它把各種粉末投入無色火焰中，發現含有不同元素的粉末在本生燈的高溫無色火焰裡燃燒時會發出不同顏色的光，但是隨著他測試的不同元素越來越多，他發現有些不一樣的元素放在本生燈裡燒時會發出的光的顏色基本上一樣，肉眼根本無法區分。

本生有一個好朋友，物理學家古斯塔夫·基爾霍夫，他得知本生的疑惑後，提出可以用夫琅和費分光儀來看光譜。果然，在本生燈裡高溫燃燒下，原本看起來相同顏色的不同元素所發的光經過了分光儀後，從望遠鏡裡看到了截然不同的亮線。他們不停地燒，不停地觀察，把所有他們已知的元素都燒了個遍，而他倆也把不同元素的亮線位置都記住了。

化學家本生由此發現了一種尋找新元素的方法——光譜分析法。不過我的這篇文章要講的其實並不是化學，而是物理，因此我們要繼續跟隨物理學家基爾霍夫的腳步。

天體物理學的革命——光譜分析法揭示太陽元素之謎

在和本生一起進行的本生燈燃燒實驗裡，基爾霍夫已經記住了大量元素的特徵光譜線（亮線），當他把這些亮線跟夫琅和費光譜儀中太陽光譜裡的暗線一一比對後驚奇地發現，這些本生燈燃燒下產生的亮線在太陽光譜裡同樣位置下卻是暗線。基爾霍夫很納悶，這是表明這些元素太陽上都沒有嗎？

後來它想到一種巧妙的方法，用氫在純氧裡燃燒，然後用所產生的高溫火焰去烤石灰棒，石灰棒會發出明亮的白光，而這白光在分光儀裡是一段連續的光譜，類似沒有暗線的太陽光。然後他在石灰棒和分光儀之間放一盞本生燈，用鈉鹽放在上面燃燒，結果神奇的事情出現了，原本在本生燈燃燒下應該出現的鈉元素黃色亮線不見了，在應該出現亮線的那些位置出現了暗線。

基爾霍夫恍然大悟，原來亮線和暗線都是同一種元素造成的！在明亮的純白光背景下，原本黃色的亮線就會變成暗線，那麼太陽的暗線就是由於在連續的太陽白光背景前面存在各種元素，它們的溫度比太陽光源的溫度低，因此吸收了背景的明亮白光從而產生了暗線。基爾霍夫由此打開了天體物理學的一扇大門——用光譜分析法確定遙遠天體的元素構成！

這些元素所產生的譜線稱為元素的特徵譜線，其中亮線是發射譜線（簡稱發射線），暗線是吸收譜線（簡稱吸收線）。基爾霍夫利用這些特徵譜線成功確定了太陽上的元素構成。

元素特徵譜線的特異功能——光譜頻移得到相對速度

隨著光譜分析法在遠方恆星與星系中的應用，科學家發現了光譜中的特徵譜線除了能確定遠方天體的元素構成外，還有一個額外的功能：確定天體與地球的相對速度。

19世紀奧地利物理學家、數學家克裡斯琴·都卜勒提出的一個效應，稱為都卜勒效應。他指出輻射波長會隨波源相對運動的變化而變化，波源靠近觀察者時，波長會變短，波源遠離觀察者時，波長會變長。

由於元素特徵譜線的頻率是固定的，因此，在地球上觀測到的特徵譜線頻率就可以作為基準。當天體遠離我們時，特徵譜線頻率會降低，波長會變長，光譜中會向紅端移動，稱為紅移。相反，當天體靠近我們，特徵譜線頻率會升高，波長變短，光譜向藍端移動，稱為藍移。而天文學家就根據這種都卜勒頻移效應測量了大量恆星和星系與我們的相對速度。

宇宙量天尺

隨著天文觀測和理論發展，科學家找到一些稱為「量天尺」的特殊天體，首先發現的是一種光度會產生周期性變化的恆星，稱為造父變星，這種恆星的絕對光度與其變化周期存在對應關係，因此在通過三角視差法得到一些造父變星的真實距離後，科學家就可以根據其視亮度和變化周期計算出它的距離。

?後來又發現一種特殊的超新星，是由吸食伴星物質突破錢德拉塞卡極限的白矮星發生超新星爆發產生的，由於它們剛好突破錢德拉塞卡極限，因此在理論上它發生超新星爆發時的絕對亮度是相同的，這種超新星被稱為Ia型超新星。科學家利用造父變星校正了Ia型超新星的亮度與距離關係以後，一把超級量天尺就產生了，科學家可以用它測量出數十億光年的距離。

宇宙量天尺+都卜勒頻移——宇宙正在膨脹

這時，一位載入史冊的天文學家出現了，他就是鼎鼎大名的愛德文·哈勃。他利用Ia型超新星觀測確定了24個河外星系的距離後分析它們的光譜，發現離我們越遠的星系光譜紅移越厲害。根據都卜勒頻移效應，這意味著離我們越遠的星系遠離我們的速度越快。而這剛好符合比利時宇宙學家喬治·勒梅特根據廣義相對論引力場方程做出的理論預言——宇宙正在以一定的速率膨脹。

20世紀40年代末，美國核物理學家喬治·伽莫夫根據哈勃的發現提出熱大爆炸宇宙學模型，現代宇宙學標準模型——宇宙大爆炸模型正式確立。