透過玻璃鏡片結合天文和物理的科學家︰夫朗和斐

透過玻璃鏡片結合天文和物理的科學家︰夫朗和斐
Wood engraving, c. 1880, after Rudolf Wimmer. Image Credit: akg-images / Newscom / 達志影像
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夫朗和斐是首個發現和研究恆星光譜的人,他結合天文與物理,創造了天體物理學這門新學問。

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宇宙間一切物質,包括天上都星辰和地球上的生命,都是由同樣的原子所構成。原子的數量非常、非常多,我們每呼吸一口氣,就有比可見宇宙裡所有恆星的數量更多的原子進入我們的身體。原子有不同種類,構成地球上一切生命的主要原子是碳、氧、氫、氮等等,而構成恆星的也差不多都是這幾種原子,只不過各種原子數量的比例跟人體不大相同而已。

牛頓使我們知道,宇宙間一切都遵守相同的物理定律。可是,同時代的人卻不知道天上的恆星是否也由同樣的物質所構成。不,在二十世紀以前,原子亦並未被證實存在。天文學剛與迷信占星分道揚鑣,利用星光研究天體的運行秩序,而物理學則剛被伽利略和牛頓等人發明,利用物理定律研究地球上的現象。那麼,天上的現象呢?

牛頓死後60年,約瑟.馮.夫朗和斐(Joseph von Fraunhofer)在巴伐利亞慕尼黑附近的斯特洛丙(Straubing)出生。由於父母雙亡,他在11歲時就要到慕尼黑的一間玻璃工廠工作。工廠的老闆非常刻薄,更不准他上學,而他只能住在老闆家中。不幸地,或者應該說幸運地,這房子在夫朗和斐14歲時的一個晚上倒塌了,夫朗和斐被困於瓦礫之中。當時的巴伐利亞候選帝馬克西米利安一世(Maximilian I)帶領營教,把夫朗和斐教了出來。

馬克西米利安買書給夫朗和斐,並派人協助他的一切所需。馬克西米利安的介入使工廠老闆不得不讓夫朗和斐上學。後來,夫朗和斐成為了出色的光學物理學家,他製造的玻璃鏡片品質在當年使巴伐利亞領先全世界,已經成為巴伐利亞國王的馬克西米利安一世繼續支持夫朗和斐的研究,更把他的玻璃鏡片製造技術列為國家機密。

1814年,夫朗和斐把稜鏡放在望遠鏡前面觀察太陽(這是相當危險的,讀者千萬不要模仿),這就是世上第一台光譜儀。白色光線穿過稜鏡分成彩色光譜,是牛頓當年的發現。夫朗和斐更進一步,他透過光譜儀觀看太陽光譜,發現裡面有很多黑色的線。換句話說,太陽光譜並不是連續的,而是有著許多「空隙」。太陽光譜中的這些黑線,被稱為夫朗和斐線。

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Image Credit: Deutsche Bundespost
1987年,西德以他的發現為主題,推出夫朗和斐誕生200周年紀念郵票。

夫朗和斐亦發現,在火焰發出來的光之中也可以看見黑線。他繼續研究,發現其他恆星的光譜裡亦含有黑線,但黑線的位置各不相同。因此,他認為黑線並非地球大氣的影響,而是來自恆星本身。天上的物質,原來與地球上的物質一樣。

夫朗和斐是首個發現和研究恆星光譜的人。今天,研究恆星光譜並應用物理定律去解釋天體構造的學科,就是天體物理學。夫朗和斐結合天文與物理,創造了天體物理學這門新學問。可是,夫朗和斐並不能解釋這些黑線的成因,要一直到19世紀中期,科學家才發現黑線是原子的吸收光譜。原子中的電子會吸收特定頻率的光線,由於不同原子的電子結構都不同,所以如果各恆星中蘊含的元素有所分別,它們的吸收光譜也就彼此相異了。

夫朗和斐因早年在玻璃工廠惡劣環境下工作而導致重金屬中毒,於1826年病逝,年僅39歲。如果夫朗和斐沒有在玻璃工廠工作,會不會有更多發現?或許,那樣他就不會得到馬克西米利安的協助,利用玻璃鏡片發現天文和物理的關聯?

本文獲授權載,原文見作者博客

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責任編輯︰鄭家榆
核稿編輯︰王陽翎

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