宇宙元素的指纹——光谱 07

本系列文章预计会有10个章节，这套文献将系统讲述物理学本身，这里是第五季第7篇。

--本文内容较长，阅读需7min--

今天我们来聊聊中学时代就知道的一个非常重要的概念——光谱。

首先我们先看看什么是光谱，光谱的原理以及它有什么作用，为什么它在宇宙学中如此重要。

01 光谱的定义

历史上，这一实验由英国科学家艾萨克·牛顿爵士于1665年完成，使得人们第一次接触到了光的客观的和定量的特征。

02 光谱的厉害之处

我们在本季度 01 节曾聊过仰望天空的时候，你会想到什么呢？

你可能觉得理科生没有什么情趣，看见天空无非就是想想“ 光谱 ”之类的物理学知识。

文艺青年却可能想到宇宙之博大和个人之渺小，想到真理，想到公平和正义，顺便作首诗。

但事实上，现代天体物理学比文艺青年想象的东西要丰富很多很多倍，也精彩很多很多倍。

读了尼尔·德格拉斯·泰森（Neil deGrasse Tyson）《给忙碌者的天体物理学 》（ Astrophysics for People in a Hurry ）之后你会发现当你看太阳的时候，你应该想到的就是——光谱。

牛顿之前的人一般认为天上有天上的法则，跟地球上是完全不同的。

牛顿的万有引力定律是历史上第一个宣称不仅仅适用于地球，而且适用于整个宇宙的理论。他的理论还真的解释了天体运行！天上和地上在这个定律眼中是平等的！

你可以想象，对当时的人来说，这是一个多么震撼的知识。

这个震撼一直持续到十九世纪。那时候物理学家发现，每个化学元素的光谱都有自己唯一的特征。随便给一堆气体，物理学家拿光一照，看看吸收光谱，就能准确判断这里面都有些什么元素。

这个工具可太厉害了，物理学家马上就分析了太阳的光谱。

到这时候物理学家才知道，原来太阳里的各种元素基本都是地球上也有的，无非是氢、碳、氧、氮、钙等等。

只有一个元素地球上没有，那就是“氦”（He）—— 不过元素周期表里已经给它留了位置，而且现在我们也可以在地球上制造氦。

这是人类第一次得知，原来构成太阳的物质不是什么神秘的东西，就是我们地球上也能找到的普通元素！你再分析远处那些星星发光的光谱，结果也都是平常的元素。

这是一个非常了不起的发现。我们并未离开地球，但是我们知道了，别处的物质跟我们这儿的并没有什么不同。

那么如果真有外星人造访地球，他们乘坐的那个飞碟，也应该是用“普通”元素建造的。

而且别处的物理定律也跟我们这里是一样的。你考察太空深处的一个双星系统，他们的轨道在引力作用下互相影响 —— 你一算，轨道正好能用牛顿力学解释。

而且过去的物理定律也跟我们现在是一样的。

我们知道光是有速度的，我们看几十亿光年以外的地方的星体，看到的其实是那些星体几十亿年以前的样子。这就让物理学家能观察到早期的宇宙。

物理学家测量很远很远的地方发来的星光的光谱，发现它们跟地球上元素的谱线完全一样，纹丝不差。这就意味着早期宇宙的原子物理学跟我们现在完全一样！更进一步，考察太阳发光的情况，物理学家知道引力常数（G）也从来都没变过。

昨天、今天和明天，东方、南方和北方，这里、那里和所有地方，构成这个宇宙的物质和物理定律都是一样的！

对想要殖民太空的人来说这可能不是个好消息，这意味着你走到哪也开采不到我们认知范围以外的元素。

可是对物理学家来说这是个好消息 —— 物理定律到处都管用，“普天之下莫非王土”。

既然如此，我们就可以用同样的物理定律计算……宇宙的起源。

03 天文学第一性原理

你可能不知道，在宇宙学中存在一个犹如数学公理级别的定义，那就是天文学第一性原理。它是说，我们人类和地球在宇宙中一点都不特殊。

承认了地球不特殊，也就相当于承认了“我们这里有的，其他地方也应该有”，也就是说我们在地球上研究出来的知识和规律放在宇宙其他地方也是适用的。

而支撑这个天文学第一性原理的基石有两个，一个就是光谱分析，另一个是距离测量。

我们都知道天文学需要望远镜，有了望远镜才可以看到更远的地方。但是你可能不知道，天文学也有自己的显微镜，这个显微镜就是光谱分析。

通过光谱分析可以跨越距离，直接看到各种天体上的元素构成。有了这个工具，宇宙学原理就能在元素层面上得到验证。

有了光谱分析那可就太好了。因为远处的恒星因为太远，即便是用哈勃望远镜，看到的也是一个点，看不出更多细节。

但是有了光谱分析，那么就算是只有一个亮点，但是仍然可以通过三棱镜，看到它的光谱，看到了光谱可就相当于知道了它的元素构成。

这就等于是一下子突破上亿光年，得到元素级别的信息。当然最初的三棱镜后来也升级换代成了更先进的光谱仪。

当然，光谱分析并没有这么简单。举个例子，在上个世纪五六十年代的时候，天文学家在天空中很多位置都发现了有一种非常特别的天体，分析它的光谱就会发现，和我们所有已知的元素都不同。当时差点就认为这会不会是什么新元素，不在元素周期表里面。

最后还是发现了，这些非常特别的谱线并不是什么新元素，都是已知的元素，只不过是光谱发生了变形，也就是发生了红移。光线的波长都普遍被拉长了。

什么意思呢？

比如说吧，原来的紫光本来波长短，现在变成了波长长的红光。如果原来是波长比较长的红光，那拉长后就会变成红外线。所以，波长被拉长后，光谱的样子都会被整体向红色的方向发生移动，所以叫做红移。

为什么会发生红移呢？或者说为什么光的波长会被拉长呢？如果你对天文学有一些了解的话，一定知道，原因就是宇宙膨胀。

总结

靠着光谱分析这个工具，我们人类就可以在不出地球的情况下得知外太空物质的属性，这真是一个了不起的发现！

好，今天就先这样。

Masir 2022/05/08

祝 愉快~

参考文献 

1、万维钢精英日课

2、高爽《天文学通识》

3、《给忙碌者的天体物理学课》