夜空童話（七）：夜空為何漆黑（之一）宇宙的條形碼——恆星光譜

往期回顧：

*本篇是夜空童話系列的第7篇文章《夜空童話（七）：宇宙的條形碼——恆星光譜》。宇宙之謎深邃而奧妙，想知其然而又知其所以然，敬請持續關注。

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銀燭秋光冷畫屏，輕羅小扇撲流螢。天階夜色涼如水，坐看牽牛織女星。

夜深人靜，萬籟俱寂。夜晚的天空，就好像被一張巨大的黑色幕布掩蓋著，給人們帶來安靜放鬆的睡眠環境，待明日太陽初升，又開始精神飽滿的一天。在古代傳說中，黑色幕布之外是上帝的居所最高天的所在，而星星則是幕布中的孔洞，透露出天國的光芒。

古往今來，無數哲人先賢，一到晚上，望著深邃的夜空，都在考慮一個至關重要的問題：

嗯？

這是我們P民考慮的問題好不好

哲人先賢們夜觀天象，他們考慮一個簡單而又深邃的問題：夜空為什麼是黑色的。

呃。。。請恕直言，如果不是腦筋急轉彎的話，這真是一個問題？這不是連幼兒園的小朋友都知道答案的問題嗎？

那不妨設想一下幼兒園的小朋友會怎樣回答？他們有可能會說，太陽公公下山了，天就黑了呀！

其實，即使是問小學生，甚至中學生，甚至成人，只要TA對天文學所知不多（一無所知）的話，回答可能大都會是這樣。

所以你是來搞笑的咯？

事實上，幾百年來不少先哲和科學家真的就在考慮這個問題：

16世紀，迪格斯（Thomas Digges）；

17世紀，哈雷（Edmond Halley）；

18世紀，謝諾（Loys de Cheseaux）；

19世紀，奧伯斯（Wilhelm Olbers）……

他們都曾認真思考過這個看上去是幼兒園級別的問題，而且他們還嘗試給出解釋。

港真，關於這個問題，直到不到一百年之前，人們才知道真正答案。

所以，這個問題，恐怕比你想像中要稍稍複雜一些（複雜得多）。

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設想一下你在一片無邊無際的大森林中——至於是亞馬遜熱帶雨林是神龍架是大興安嶺還是你家邊上的某某森林公園——都可以，只要所在之處森林夠茂密。你向任意四邊望去，最終的視線都會終止於一顆樹。

我們站在地球上望星空不正是這樣嗎？如果宇宙是無限大的，如果宇宙的星星也是無限多的，那我們無論望哪處看，視線最後也將終止於一顆星星。這樣的結果將會是，無論朝哪處看，都應該能看到星星。因此，整個天空都是星星才對；因此，天空將會布滿光亮；因此，夜晚無論如何不應該是漆黑的。

不是嗎？

不過這顯然是被現實打臉，是錯誤的嘛！是哪裡不對？這事又得從太陽說起。嚴格來說是從太陽光說起。

凡是科學史上提到太陽光的，基本都不能不談牛家第一號人物——牛頓。他做了一個三稜鏡的實驗。看上去白色的陽光經過三稜鏡之後，分解成紅橙黃綠藍靛紫等七種顏色的光。他是第一個知道陽光是由多種單色光複合而成的地球人。

牛頓：牛家……？

一個半世紀之後，太陽光的事情又有了新進展。德國一位科學家夫琅禾費（Joseph von Fraunhofer），他發現了太陽光中更細緻的信息。牛頓很牛，但在看太陽光這方面他比牛頓更牛：他居然能從太陽光中看出條形碼來，就差沒看出生產日期和廠商了。

條形碼

太陽上怎麼可能會有條形碼呢？原來，這位夫琅禾費是位光學大師。他發明了光譜儀。他用光譜儀去觀察太陽光，發現太陽光譜裡面還有很多條暗線。他一共數出了576條極細的暗線。這些暗線被稱為夫琅禾費線。這是了不起的發現。只是當時的科學界沒能對這些暗線的由來給出合理的解釋。

太陽光譜中的暗線：夫琅禾費線

這種一端是紅、一端是紫的美麗的漸變色帶叫做可見光譜。可見光譜是整個電磁波譜中的一小部分，波長在約400～760納米之間。它是電磁波譜中人類眼睛可以感受到的部分。再往紅色的那邊去人眼就看不見了，那是紅外線。同理，紫色部分再往外去的就是紫外線。

時間又過去半個世紀。科學界終於等到了揭開太陽暗線之謎的人：化學家本生（Robert Wilhelm Bunsen）和物理學家基爾霍夫（Gustav Kirchhoff）。這兩位聯手解開了這個謎題。這之後，人們就能讀懂了陽光中的秘密。原來這暗線裡頭隱藏著的居然是太陽物質組成的信息。這個發現意義極其重大。當時他們向柏林科學院提交了一份報告，論述太陽的元素組成。這個主題把不少科學家嚇了一跳：難道這兩位跑去太陽一趟，把太陽的物質帶回地球檢驗了？！要知道，科技發展到直到五十年前，人類才有能力跑到月球一趟，通過採集巖石樣本，分析月球的化學成份。這當中不知道耗費多少人力物力。要不是有冷戰背景，人類何時解鎖這項成就還不好說。太陽比月球遠得多。這怎麼能比登月還早一百多年前就能辦到了呢，而且還是在表面溫度五千多度的太陽，什麼採集工具不燒成灰哪！

人類登月

本生和基爾霍夫微微一笑：不用到太陽上親自登門拜訪（送死），只要看它發出的光就可以。是的，千裡之外，看一眼足矣。科學界當時就驚呆了。有人問道，這麼牛叉的發現你們是怎麼搞出來的？他們又微微一笑：燒出來的。

本生是位化學家，他更廣為人知的是以他名字命名的本生燈。19世紀五、六十年代，本生在他的研究工作中發現，不同的化學物質在燃燒中的火焰顏色是不同的。例如，鋰燃燒的顏色是深紅色，鈉燃燒的顏色是明黃色，鉀燃燒的顏色是淡紫色，鈣燃燒的顏色是橙紅色，鍶燃燒的顏色是大紅色，鋇燃燒的顏色是黃綠色，銅燃燒的顏色是亮綠色。

幾種常見元素燃燒火焰的顏色

本生感到這件事情很美妙，因為這下我們可以愉快地玩焰火了。

當然，作為化學家的本生的思維肯定比常人想得深遠。他當時反手就來了一個逆向思維：既然燃燒不同物質可以得到不同顏色的火焰，那麼反過來，如果要知道物質的化學成份，豈不是可以通過燃燒來獲得？

確實如是。不過，大自然在偉大發現之前總會設置一些門檻。本生在應用這種方法的時候碰到了一些難題。首先是，顏色這東西不太可以很精確地分辨。比方說，鋇燃燒的顏色就和銅燃燒的顏色差不多。如果你的視力比較敏感，認為分辨這兩種火焰毫無難度，那您可以再嘗試分辨一下鋰和鍶。

手機屏幕給不給力啊？

還有一個問題是顏色這東西很主觀。不同人看到的顏色就有可能不同。一個身邊很常見的例子就是某些藍綠色，有些人覺得它是藍色，有人覺得它是綠色。另一個更常見的例子就是這條裙子，它甚至引發了全民大爭論。

還有一個更實際的問題是，物質中的成份很可能不是單一的。含有多種成份使得分辨變得更為複雜。像上圖的鋰和鍶，如果有分辨能力強的人能分辨出它們單獨燃燒的火焰顏色，那如果物質裡同時含有這兩者呢？還能分得出是其中之一，還是兩者都有嗎？此外，還有更惡劣的顏色掩蓋的問題。特別是鈉。鈉發出的明黃色光芒，幾乎能把所有的其他顏色都掩蓋掉。

這時物理學家就派上用場了。在物理領域，顏色可是有著明確定義的：它嚴格地對應著某種可見光的波長。與本生同在海德堡大學當教授的物理學家基爾霍夫，也對這個課題很感興趣。正是他向本生建議使用稜鏡來觀察物質的發射光譜，來區分顏色相近的火焰。

本生-基爾霍夫光譜儀：A黑盒；B/C望遠鏡；D本生燈；E樣品；F稜鏡；G鏡子；H旋轉手柄。

通過光譜分析，可以看到不同物質燃燒發出的光的波長是不同的。在可見光譜上不同的位置，會出現一條條明亮的明線。通過它，顏色這種主觀的東西就能得到清晰明確的定義。本生與基爾霍夫創立了光譜分析法。首先，通過燃燒各種已知物質來獲得它們的光譜線，然後再通過觀察待鑑定物質燃燒發出的光在光譜中的亮線位置，從而就能確定它含有什麼物質。

兩大當世高手的聯手，成功解決了這個難題。這下好了，物質都有了自己的「條形碼」。上帝在物質成分鑑定上面為世人掀開了帘子的一角，後面赫然是一條康莊大道。

幾種常見元素的譜線

有了這個無上的法寶，研究物質組成就變得很方便了。從此，本生和基爾霍夫瘋狂的迷上了燒東西。他們利用這個方法發現了新元素銫和銣，名垂青史。一時間烽煙四起，各處狼煙：科學家們都忙著去燒東西去了。那時候的科學家們，有事沒事便拿這個也燒燒，那個也燒燒，看看能燒出了什麼美妙的成果出來。

這時，本生和基爾霍夫想起了夫琅禾費太陽光譜中的暗線。經過認真觀察與分析，他們發現太陽光裡的暗線，跟他們發現的亮線是有對應關係的。每一條出現在太陽光裡的暗線，都能找到一條與之位置相同的元素燃燒發光的亮線！例如，鈉元素燃燒的光譜線是兩條明亮的黃線，而在太陽光譜裡相同的位置又剛好出現兩條暗線。

這是什麼意思呢？是說明太陽上並不存在鈉元素嗎？經過基爾霍夫深深的思考，他說，不，這反而是說太陽上存在鈉元素！這是一個橫空出世的天才般的思維跳躍。這使得我們人類從此以後，不用親自做任何登陸採樣，僅遠遠地觀望一下，就能知道天空中的天體具有何種化學成分！

經過仔細分析夫琅禾費線，人們發現太陽上有的元素，地球上都有。天上和地下是一個樣的！這是地球人第一次知道地球以外的天體的化學成分。一門新科學——光譜測量學也因此應運而生。實在得感謝本生和基爾霍夫，他們的偉大發現使得人們了解宇宙的手段得以大大地擴展。完美！

不過！還是那句話，大自然總會設置一些門檻。他們的發現的確是非常完美——除了還有一個問題沒有被很好解釋：為啥燒出來的是亮線，而太陽光譜裡頭的卻是暗線呢？這個問題又得等待半個世紀之後，才由量子力學來給出解答。

太陽的元素組成

既然提到量子力學，那又得回到微觀領域去。之前已經相對充分地討論了原子、原子核、核子、以及聚變裂變等核反應（連結：與

），但是對電子卻沒有好好地理一理。

電子

電子會揭開亮線暗線之謎，然而它卻不會告訴我們夜空漆黑的秘密。不過還好，用不了多久，在歷史的車輪滾滾前進幾年之後，宇宙的這扇秘密帘子就被他徐徐掀開。他因而被列為最偉大的天文學家之一，名垂青史。你抬頭看天，五百公裡的高處，飄蕩著他的名字。

（揭開夜空漆黑的秘密，敬請繼續關注後續文章。）

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本篇最後，解謎大師本生和基爾霍夫知道後世有個人在寫他們的故事，於是留下了兩個小謎題，供一直閱讀「夜空童話」系列文章的各位思考。

本生：不是說在太陽當中進行的核反應是氫-氦聚變，那為什麼太陽發出的光譜不是氫元素和氦元素髮出來的亮線，而是一整片連續的彩色光譜呢？

基爾霍夫：不是說太陽的演化，直到變成白矮星才有碳、氧等元素生成嗎？為什麼現在的太陽光譜上顯示太陽上存在的元素有如此之多？

夫琅禾費：往下拉，在下方的評論區就有答案。

然後他們仨微微一笑，消失在歷史的長河中。

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----------------- 備註的分隔線 -------------------

1666年，牛頓三稜鏡實驗

1814年，夫琅禾費發現太陽光譜暗線

1859年，本生和基爾霍夫創立光譜分析法

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下期劇透：

夜空童話（八）：夜空為何漆黑（之二）：天上離歌——宇宙學紅移