從玻璃工人到天體物理學(xué)之父，“他使星星變近”

　　約瑟夫·馮·夫瑯和費(fèi)(1787—1826)

科學(xué)史話

說起巴伐利亞，很多人想到的是它的首府慕尼黑，想到全稱為“巴伐利亞機(jī)械制造公司”的寶馬公司，想到啤酒。但絕大部分人不知道的是：這里還誕生了天體物理學(xué)之父——約瑟夫·馮·夫瑯和費(fèi)。

夫瑯和費(fèi)1787年出生于巴伐利亞一個貧困的玻璃匠家庭，是這個家庭的第11個孩子。10歲與11歲時(shí)，夫瑯和費(fèi)先后失去母親與父親，成為孤兒。為了生存，他進(jìn)入一家玻璃制造坊做童工。1801年，夫瑯和費(fèi)工作的破舊車間突然倒塌，14歲的他差點(diǎn)被壓死。

這場災(zāi)難也意外地給這個少年帶來了人生的最大轉(zhuǎn)折——這次救援的負(fù)責(zé)人是后來成為巴伐利亞王國國王、當(dāng)時(shí)已是侯爺?shù)鸟R克西米里安。侯爺非常同情夫瑯和費(fèi)，給了他一些書籍，并迫使玻璃制造坊的老板允許他花時(shí)間學(xué)習(xí)。

1806年，19歲的夫瑯和費(fèi)來到一家頂尖水平的光學(xué)研究所學(xué)習(xí)光學(xué)儀器制造工藝。夫瑯和費(fèi)聰明勤勉，不斷磨制各種鏡片、改進(jìn)各種光學(xué)儀器，很快成為當(dāng)時(shí)世界頂尖的光學(xué)儀器制造專家和當(dāng)時(shí)世界上最偉大的望遠(yuǎn)鏡制造者，也使巴伐利亞取代英國，成為當(dāng)時(shí)世界上光學(xué)儀器工業(yè)的中心。但夫瑯和費(fèi)一生中最杰出的成就卻不是為別人提供最好的天文儀器，而是使用自己制造的儀器分解太陽光與星光，并創(chuàng)立起一個全新的學(xué)科——天體光譜學(xué)，即天體分光學(xué)。

在夫瑯和費(fèi)之前，其實(shí)已經(jīng)有人用棱鏡分光。最著名的是牛頓，他用三棱鏡將小孔里穿過的陽光分成多種顏色，展開后的圖就是牛頓命名的“光譜”，牛頓得到的光譜是非常粗糙的，很多細(xì)節(jié)無法顯現(xiàn)。后來，英國化學(xué)家沃拉斯頓讓陽光從狹縫穿過并用更好的棱鏡來分解陽光，于1802年發(fā)現(xiàn)陽光的光譜中有4條暗線，但他的結(jié)果沒有引起人們注意，他也沒有繼續(xù)研究。

1814年，27歲的夫瑯和費(fèi)將自己磨制的棱鏡與一個小望遠(yuǎn)鏡組合，他用這個空前精密的棱鏡分解火焰的光，透過望遠(yuǎn)鏡直接觀察，發(fā)現(xiàn)其中總有橙色明亮線。然后他用棱鏡重復(fù)牛頓的實(shí)驗(yàn)。他原以為自己會在望遠(yuǎn)鏡中看到明亮的線，但結(jié)果卻恰恰相反，他看到的是一個連續(xù)的明亮帶，其中又嵌著574條暗線，遠(yuǎn)超過沃拉斯頓發(fā)現(xiàn)的4條，這些線在光譜圖中的位置是固定的。

為確定這些暗線是不是儀器的缺陷導(dǎo)致，夫瑯和費(fèi)用多種人造光來做這個實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)那些暗線不再出現(xiàn)，這證明儀器并沒問題。他還證明了那些線中的絕大部分不是地球大氣產(chǎn)生的。因此，他確信這些線攜帶著太陽自身的信息，并用字母給太陽光譜中一些特別明顯的暗線編了號，這些線也被后人稱為“夫瑯和費(fèi)線”。夫瑯和費(fèi)還將天狼星等明亮恒星發(fā)出的光分解，也發(fā)現(xiàn)了很多暗線。

在夫瑯和費(fèi)發(fā)現(xiàn)那些神秘暗線時(shí)，所有人都無法解釋它們。1859年，著名物理學(xué)家基爾霍夫利用當(dāng)年夫瑯和費(fèi)親手磨制的石英三棱鏡組裝出一臺光譜儀，和著名化學(xué)家本生在實(shí)驗(yàn)室用本生發(fā)明的“本生燈”燃燒各種元素，并認(rèn)真觀察光譜，解開了謎團(tuán)：太陽熾熱表面的各種原子發(fā)出各種各樣的光，這些光經(jīng)過太陽外部相對冷的大氣時(shí)，大氣中的一些原子分別“攔截”了同類原子發(fā)出的光，導(dǎo)致光譜圖中某些位置的光變暗，形成了夫瑯和費(fèi)線。

根據(jù)這個原理，只要人們能在實(shí)驗(yàn)室中將各種元素發(fā)出的光的特征線一一確定，就可以根據(jù)太陽的夫瑯和費(fèi)線推斷出太陽大氣中有哪些元素。著名哲學(xué)家孔德曾斷言：人類絕不可能得知恒星的化學(xué)成分。就在孔德去世后兩年，夫瑯和費(fèi)線的秘密被解開，人類從此可以借助夫瑯和費(fèi)發(fā)明的光譜儀分析出太陽與其他恒星的化學(xué)成分，孔德的斷言被直接否決了。

盡管夫瑯和費(fèi)始終不知道他發(fā)現(xiàn)的那些暗線的物理起因，但他的精密棱鏡與望遠(yuǎn)鏡的組合卻成為世界上第一個真正的光譜儀，此后同類光譜儀的核心部件都與其類似。天文學(xué)家用光譜儀分解星光，得到光譜；再根據(jù)光譜中的各種線，確定天體中含有的元素。夫瑯和費(fèi)發(fā)現(xiàn)的夫瑯和費(fèi)線，又是天體光譜學(xué)研究的真正發(fā)端。天文學(xué)家用光譜儀分解星系發(fā)出的光，結(jié)合照相術(shù)，在底片上獲得光譜，然后測量光譜中各種線的移動，計(jì)算出星系的運(yùn)動速度，這最終又催生了宇宙學(xué)。天體光譜學(xué)與天體測光學(xué)是天體物理學(xué)的兩大基石，光譜學(xué)尤其體現(xiàn)了天體物理學(xué)的特征。夫瑯和費(fèi)因此被譽(yù)為“天體光譜學(xué)之父”與“天體物理學(xué)之父”。

但夫瑯和費(fèi)卻沒能看到此后的這一切，由于長期與當(dāng)時(shí)玻璃工藝必需的重金屬蒸汽接觸，一直未婚的他于1826年在慢性中毒與肺病的折磨下英年早逝，年僅39歲。此時(shí)距夫瑯和費(fèi)線的秘密被揭開，還有33年。為紀(jì)念這位天體物理學(xué)之父，人們在他的墓碑上刻上望遠(yuǎn)鏡和太陽，并在墓前的石制花盆上刻下“Approximavit sidera”——“他使星星變近”。