上帝之光：宇宙大爆炸的秘密都隱藏在光線裡

自從啟蒙運動，現代科學創立以來，人類對於宇宙和自身的了解都越發深刻，我們在小小的地球上，不僅可以觀測到幾萬光年以外的星系樣貌，還能推測出行星的物質構成，宇宙的膨脹速度...你是否有想過，人類從未踏足這些星球，甚至從未離開太陽系，我們是怎麼知道這些的？

實際上，宇宙早就把它的秘密，藏在了光線裡。

上帝之光的分解：神奇的三稜鏡

自從上帝說，要有光以來，人類便從未停止對光的追求，從洞穴時代的鑽木取火，到鐵器時代的火藥火器，再到蒸汽時代電燈的發明，光，幫我們驅趕走了黑暗和愚昧，更成為了近代物理學的基石，光速的測量，波粒二重性的研究，相對論的啟發...它把宇宙從誕生以來的秘密，一步步展現在人類面前，今天漫遊君就給大家講一講，人類是如何通過一束光，認識整個宇宙的~

事情還有從牛頓牛爵爺說起，在笛卡爾第一次使用玻璃球製造出了人造彩虹之後，人們開始認識到光其實是有顏色的，但是當時人們以為這是真假光，也有人認為是眼睛虹膜導致了顏色的不同。1666年，在家休息的牛頓，找來了一塊普通的三稜鏡，把房間的暗度降到最低，只在窗戶上留了一個小洞，當白色的光透光三稜鏡折射在白牆上時，神奇的事情發生了，牆上出現了一道彩虹，紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種顏色依次排列開。原來白光其實是由多種顏色的光組成的，這就是我們所謂的光是色散現象。

在當時，牛頓依照古希臘哲學家的想法，並且結合應付、太陽系行星和一周的天數，將光譜定義為7種顏色，認為這是一種規則的美學，但是在光譜學研究上，牛頓就止步於此了，他帶我們發現了人眼可見光的時間，但卻忽略了一個更大，蘊含更多宇宙秘密的世界。

而一直到1800年，這個世界才意外被威廉.赫歇爾爵士發現，威廉最初本來是想測量不同顏色的光線所攜帶的溫度，他設計了一個實驗，在一個只有一個小孔透光的屋子裡，用三稜鏡將光線分隔成七種顏色，並投射到桌子上，他在每一種光線照射的地方都放了一個溫度計，然後將第八個溫度計放在了沒有光線照射的地方，作為對照。24小時之後，沒有想到，這個沒有任何光線照的溫度計溫度上升最高，遠遠超過我們認為攜帶能力最多的紅光。

所以其實，他推測，在七種光線之外，還有一種人類看不到的光，這就是我們後來說的紅外線。可以說，這個發現讓人類睜開了第三隻眼，讓我們能從另一個角度觀察到宇宙。

由於光的相速度會隨著頻率而改變，簡單點來說，因為光具有波粒二重性，所以光線中含有很多光子，不同能量和個數的光子亮度和波長的不同，而同一個物體可以發出具有各自波長的光子，有些波長在人眼的可見範圍裡，就變成了不同的顏色，而還有一些隱藏在人眼可見範圍外的，就是我們所謂的紅外線，紫外線等等，當然還有更難發現的X射線，伽馬射線等，通過這些光線，我們得以探尋宇宙的星系，它的起源和發展。

原子的光譜線

但是其實，光線裡隱藏的秘密，比我們想像的還要多。

一個本和科學之路無緣的孤兒為人類揭開了這個秘密。科學家夫琅和費在11歲成為了孤兒，其後一直在慕尼黑的一家玻璃作坊當學徒，結果不幸的是，1801年，這家作坊的房子崩塌了。但是正所謂大難不死必有後福，夫琅和費被當時的王位候選人馬克西米利安一世救起，還給他提供了書籍和學習的機會，甚至送他去著名的貝內迪克特博依恩修道院光學學院接受訓練。

這一舉動也為巴伐利亞帶來了巨大的利益，1818年，夫琅和費就已經成為了光學院的主要領導，研究出了製造完美玻璃的技術，使得巴伐利亞取代了英國成為了光學儀器的製作中心，這一壟斷事業為帝國帶去了巨大的利潤，但是更重要的是，夫琅和費得以走上科學的道路，研究光和玻璃的秘密。在1814年，他發明了分光儀，某一日他在研究是稜鏡時，將其放在了放大鏡前，並讓陽光通過，在七色的斑斕中，他發現光線與光線間，被細密的黑線所隔斷，有整整574條，這就是著名的夫琅和費線。但是這個現象以當時的物理水平，沒有人能夠解答，但是光譜學作為一門學科，開始吸引主流物理學家的關注。一直到1859年，德國的光譜物理學家基爾霍夫，在實驗中觀察到了鈉元素的光譜亮雙線，真好位於夫琅禾費線標誌位D線的暗線上，人們開始把光譜中的黑線和元素聯合在一起。

氫原子的光譜

基爾霍夫當時激動地宣稱：根據夫琅禾費線，我們可以測定出太陽大氣層的化學成分。

很快，發現一個接連著一個，1826年塔耳波特（Talbot）將鹽加到火焰中觀察焰色的變化，研究出了Na、K、Li和Sr的乙醇火焰光譜和Ag、Cu和Au的火花光譜；1835年惠特斯通（Whetstone）觀察了Hg、Zn、Cd、Bi、Sn和Pb的火花激發光譜；1887年 Rowland發表了一個原子光譜譜線表...

通過對於將元素的光譜和遙遠行星發出的光進行匹配，我們得以了解遙遠世界的物質構成，我們知道了木星的大氣是由體積或氣體分子約88%到92%的氫和約8%到12%的氦所組成，太陽大氣的主要成分是氫（質量約佔71%）與氦（質量約佔27%）構成...我們得以了解宇宙更多的秘密。

但是故事說到這裡，還有一個重要問題沒有解決。

那麼這些原子光譜中的黑線，到底是怎麼產生的呢？這要從原子的秘密說起。

「黑線」背後的秘密

相信大部分人都知道原子的「行星模型」，電子像行星一樣按照既定的軌道圍繞著原子核做著永恆地繞圈運動，這個模型在20世紀初被盧瑟福提出之後，被廣泛認知，甚至在很長一段時間內成為了科學的象徵圖：三個電子圍繞著原子核做運動的圖。

但是這個模型卻存在一個致命的缺陷，我們都知道電子是帶著負電荷的粒子，而原子核是帶正電荷的粒子，當電子圍繞著原子核運動時，按照麥克斯韋的理論，兩者之間會發出強烈的電磁輻射，就像磁鐵的正負極會相互吸引一樣，這意味著這個體系是不穩定的。電子會一點點失去它的能量，不停地縮小運行鈑金，最終墜毀在原子核上，而這個過程用時可能都不足一秒，也就是世界將會隨時隨地發生核爆炸...這顯然不符合實際情況。

著名的科學家玻爾（沒錯，就是和愛因斯坦爭得死去活來的那位）通過研究發現，電子在原子內部只能釋放定量的能量，它只能按照某些「確定的」軌道運行，也就是當電子離原子核最近的時候，它的能力是最低的，當它一旦獲得了特定的能力，它就能躍遷到其他軌道，一旦沒有了能力的補充，它又會回落回來，而且在這一過程中，電子智能釋放或吸收特定的能量，而不是任意連續的能量，所以原子的結構重行星圖，變成了一個概率圖，電子像一個幽靈一樣，在某個點突然消失，在另一個點又突然出現，這就是我們所謂的「電子的躍遷」。

而電子躍遷的能量就來自於對光線的吸收，所以原子光譜中的那每一條黑線，都來自於一次電子躍遷，吸收了光線。而每個原子由於化學性質是穩定的，所以電子也永遠只會在既定的區域和概率內出現，所以原子光線譜也是有規律可循的。

所以我們才得以從一束簡單的光中，看見整個宇宙。