科学外史II（8）
最近上海和全球多地持续高温，太阳的威力考验着世界上不同地区的人们。前天有人问我：网上说太阳表面大约有6000度，还说太阳因为内部持续的核聚变而向外辐射巨大能量……但这一切是通过什么途径知道的？人类显然不可能用任何仪器靠近太阳去测量？今天的太阳物理学家当然会说这是“小白问题”，但对更多人来说，这个平时不被我们注意的问题，倒也有些趣味，而且还有一点启发意义。
光谱的早期故事
(相关资料图)
迄今为止人类确实无法接近太阳，且不说太阳表面约6000度的高温，何况去往太阳还要穿过温度高达百万度以上的日珥区域，也不能用望远镜观测太阳（会瞬间致盲）。人类现有的各种直接测量手段，对于太阳都无法实施。所以1835年孔德（A. F. X. Comte）有名言“恒星的化学组成是人类绝不能得到的知识”，其实在他说这句话之前20年，也就是1814年，打破这句名言的技术已经萌芽了。
让太阳光通过三棱镜展布成赤橙黄绿青蓝紫的光谱，是一个富有观赏价值和娱乐性的低难度物理实验，自从牛顿1672年在皇家学会报告了他数年前所做的这一实验之后，不断有人在做这类实验。1802年，英国人沃拉斯顿（W. H. Wollaston）做这一实验时，在太阳光谱中发现了一些暗线，在红色、绿色 、蓝色区域，他分别发现2、3、4条暗线，可惜身兼医生和物理学家的沃拉斯顿对这些暗线没有深究，遂与名垂青史的机会失之交臂。当然沃拉斯顿也不算太冤，当年牛顿或许也有机会看到这些暗线，但牛顿也没注意它们。
下一个注意到这些暗线的人是德国科学家夫琅和费（J. von Fraunhofer），他在1814年制作了第一台分光镜，这使得他能够比前人更细致地观察各种光谱。他在实验中先是发现，在油灯、蜡烛、酒精灯的火焰光谱中，都有一对黄色的亮线出现在同样位置。随后他开始观测太阳光谱，却发现了许多暗线。在灯光光谱中出现明亮黄线的位置，在太阳光谱中出现的却是一对暗线。1814～1817年间，夫琅和费以极大的耐心从太阳光谱中数出了576条暗线，详细记录了这些暗线在光谱中的位置。他甚至还在金星的光谱中发现了同样的暗线。虽然夫琅和费无法解释这些光谱线出现的原因，但是后来这些光谱线就被称为“夫琅和费线”——有心人就是有机会名垂青史。
要解释太阳光谱中这些“夫琅和费线”出现的原因，还需要等待40多年，在此期间孔德说出了上面那句名言，让许多人深信不疑。
夫琅和费线的解释
1858～1859年间，德国化学家本生（R. Bunsen）正处于兴奋状态，他发明的一种在化学实验室中用于加热的装置被称为“本生灯”，其实就是一种煤气灯，但火焰温度可高达2000多度。本生忙着用本生灯来烧各种物质，比如钠、钾、锂、锶、钡……他发现不同的物质在燃烧时会呈现不同的颜色。本生由此设想可以根据火焰的不同颜色来判别不同物质，但当他将多种元素混合燃烧时，火焰却只呈现出占比最大的那种元素的颜色。
本生有个哥们基尔霍夫（G. Kirchhoff）是物理学家，两人经常一起散步聊天讨论科学问题。基尔霍夫的实验室里有分光镜，于是本生灯+分光镜，两人开始一起研究各种燃烧物质的光谱，他们发现每种元素在特定的波长处都会产生特定的亮线，例如当年夫琅和费注意到的那对黄色亮线是钠元素发出的。
有一天晚上这两人还在海德堡的实验室中鼓捣光谱，远处忽起大火，两人以科学家特有的吃饱了撑着的精神，将分光镜用来分析远处大火的光谱，在其中识别出了锶和钡的谱线。这件即兴的无聊之举给他们的启发是：既然光谱分析能够知道远处火光中的物质成分，那我们是不是也能知道太阳上的物质成分？这个听起来有点像痴人说梦的想法，让两人感觉极为刺激，第二天就去实验室分析太阳光谱。
他们当然无意中又重复了夫琅和费40多年前做过的工作，再次在太阳光谱中看到了那些夫琅和费线。但这次情况有所不同：前一阶段在本生灯上烧各种物质再分析这些物质光谱的实验没有白做——他们发现那些物质在特定波长处出现的亮线，在太阳光谱中都能在相应位置上看到暗线。物质燃烧光谱中的亮线，对应太阳光谱中相同位置的暗线，这怎么解释呢？基尔霍夫让太阳光穿过他燃烧钠盐形成的钠蒸汽，结果太阳光谱中那两条对应着钠元素的暗线变得更暗了。
于是基尔霍夫提出假说，这也被称为“基尔霍夫定律”，用通俗语言表达就是：1.每一种化学元素都能在自身的燃烧光谱中发射出亮线；2.每一种元素在温度较低的状态下都能吸收它所能发射的谱线而形成暗线。这个定律可以解释太阳光谱中那些夫琅和费线：因为太阳内部的温度更高，炽热的光线需要穿过相对较冷的外层才能到达地球，夫琅和费暗线就是因较冷外层中同样元素的吸收而形成的。
应用技术和基础科学：究竟谁推动谁？
基尔霍夫的上述定律，开启了证认太阳上化学元素的方便之门——通过和地球上已知元素的光谱比对，就可以知道太阳上有什么元素。各种更高效、更方便的光谱比对方法也次第出现。如今天文学家已经在太阳光谱中发现了大约2.6万条谱线，地球上已知的百余种化学元素，在太阳上至少已经证认出68种。现在已知太阳约71%是氢，27%是氦，其余元素不管有多少种，总共只占约2%。
在证认太阳元素的热潮中，有个英国人也名垂青史。天文学家洛克耶（N. Lockyer，有时译成洛基尔）以研究太阳著称，还发明了新式的分光镜，他在1868年宣称，太阳光谱中有一条黄色亮线，无法与地球上任何已知元素对应，应该是一种太阳上的元素发出的，洛克耶将这种元素命名为“氦”（源自希腊语“太阳”），结果27年后真的在地球上发现了氦元素。洛克耶还来得及享受“第一个发现宇宙元素”的荣誉——他从1869年被任命为《自然》（Nature）杂志的首任主编，一直任职50年，直到1920年去世。
太阳其实就是一颗普通恒星，所以对太阳光谱的分析方法，立刻被大规模应用到别的恒星上，大量恒星光谱的收集和分类，再借助理论物理的推算，人类对恒星的成分、温度都有了掌握。现在主流的恒星模型理论认为，像太阳这样的恒星，自身质量产生巨大引力要让它向内坍缩，而内部核聚变产生巨大压力要让它向外扩张，两者处于动态平衡而保持稳定。
长期以来，天文学一直被视为基础科学的冠冕，而基础科学被视为技术进步的源头。但回顾一下天文学的发展史就会发现：现代天文学每一个历史性的关键突破，都是应用技术提供的：望远镜最初并不是为观天而制作的，只是伽利略首次将它指向天空，开启了望远镜时代。夫琅和费、基尔霍夫摆弄光谱都不是为了研究天文学，只是意外发现了新用途，开启了天体的光谱分析时代。二战时的军用雷达当然不是研究天文学用的，只是战后人们发现它还可以接收天体在可见光波段之外的电磁辐射，开启了射电望远镜时代。这三个例子都是应用技术推动了基础科学，而不是相反。
（作者系上海交通大学讲席教授，科学史与科学文化研究院首任院长）
