约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫--引发天体物理学的玻璃制造商(2014)

我们头顶上的灯光-太阳、月亮和无数星星的全景-肯定在有历史记录之前很久就是一个奇迹的来源。公元前3世纪和4世纪，人们开始认真努力测量它们之间的距离，而今天的天文学家和天体物理学家仍然在用高性能的望远镜和计算机思考宇宙，试图梳理出几千年来的问题的答案。(译者注：公元前3世纪和4世纪，天文学家和天体物理学家使用高性能的望远镜和计算机，仍然在思考宇宙，并试图梳理出几千年前的问题的答案。)。

但这次调查中最重要的发现之一并不是用高倍望远镜或电脑，也不是任何仰望天空的人做出的。两百年前，巴伐利亚玻璃制造商和研究人员约瑟夫·冯·弗劳恩霍费尔(Joseph Von Fraunhofer)在他的实验室里用简单的设备进行实验，探测到了阳光光谱中的暗线。他没有办法知道，这一奇特的发现会让未来的科学家计算出恒星的距离，并促成所有科学史上最重大的进步之一-认识到宇宙正在膨胀。

约瑟夫·弗劳恩霍费尔于1787年3月6日出生在下巴伐利亚州的斯特劳宾。在他父亲和母亲双方，他的祖先世世代代都与玻璃生产有联系。约瑟夫是11个孩子中最小的，很可能在他父亲的商店工作。约瑟夫10岁时，他的母亲去世了；一两年后，他的父亲去世了，约瑟夫的监护人把他送到慕尼黑跟玻璃制造商菲利普·安东·魏克塞尔伯格(Philipp Anton Weichselberger)当学徒，后者为宫廷生产镜子和装饰性玻璃。这应该是一个令人羡慕的学徒生涯，但魏塞尔伯格是一位严厉的大师，给他的学徒们安排了卑微的工作，几乎没有教给他们玻璃制造方面的知识。他通过拒绝约瑟夫在晚上使用阅读灯来阻止他阅读他喜欢的科学书籍，并禁止他参加为慕尼黑学徒提供行业外教育的周日课程。

约瑟夫忍受了两年的这种痛苦，但后来他的故事发生了转折，就像是来自查尔斯·狄更斯的小说。魏塞尔伯格的房子倒塌了，把约瑟夫埋在下面。他的营救是危险的，花了几个小时，让王子选举人马克西米利安四世有时间到达现场。这场事故使约瑟夫成为这座城市的英雄，慕尼黑德国博物馆的一幅仍然存在的木刻画显示，马克西米利安张开双臂，欢迎这个男孩复活。马西米利安邀请约瑟夫去他的城堡，并把他交给他的顾问、实业家约瑟夫·冯·乌茨施奈德(Joseph Von Utzschneider)照顾。乌茨施奈德意识到这位幸运的年轻人聪明好学，就给约瑟夫提供了数学和光学方面的书籍。

恐龙是嵌合体。这种复杂组合的某些部分是生物进化的结果。但另一些则是人类智慧的产物，由艺术家、科学家和技术人员在从挖掘现场延伸而来的艰苦过程中建造的……。多读。

马西米兰给了约瑟夫一份慷慨的礼物，足以买下他的学徒生涯，并购买一台光学磨床。后来约瑟夫开了一家名片雕刻小店，没能维持生计。在没有收入来源的情况下，也许他意识到学徒离开既定路线投身于他的手艺是不明智的，他回到了魏塞尔伯格，在工作日为他工作，周日为眼镜商约瑟夫·尼格尔(Joseph Niggl)工作。魏塞尔伯格仍然不让他用他的阅读灯。

最后，乌茨施奈德把事情办好了，确保给孩子提供书籍、阅读的时间和光线，并安排了本笃会牧师乌尔里希·斯基格(Ulrich Schiegg)来指导他，他是一位对科学有相当兴趣和受过良好教育的本笃会牧师。当乌茨施奈德判断约瑟夫准备充分时，他招募他到乌茨施奈德位于贝内迪克特博伦的自己的光学研究所工作，约瑟夫在那里协助制造望远镜镜头和测量仪器。当他还在20岁出头的时候，乌茨施耐德让他完全负责研究所的玻璃厂。

改进望远镜和测量仪器的透镜是研究所的一个主要目标，在弗劳恩霍夫到达后不久，他开始专注于更多的基础研究，这是这一努力的基础，与光的性质及其折射有关的研究。1807年，20岁的他提交了他的第一篇重要科学论文。

1814年，27岁的弗劳恩霍费尔在他的实验室里工作，对不同类型和配置的玻璃折射光线的方式进行更精确的测量。棱镜将普通的白光转化为彩虹的事实自古以来就已为人所知。但之前的假设是，颜色不知何故存在于棱镜中。艾萨克·牛顿(Isaac Newton)在17世纪60年代已经证明，白光是由按顺序展开的颜色组成的-光谱-红色、橙色、黄色、绿色、蓝色、靛蓝和紫色。不同波长的光产生不同的颜色。波长越长，光谱越靠近“红色”端。波长越短，越靠近紫罗兰色或“蓝色”端。

虽然现代科学发现在真空或空白空间中光速有细微的变化，但在大多数情况下，可以有把握地假设这种情况下的光速没有变化。光从一种介质移动到另一种介质(例如，从空气到水)的速度就不是这样了。一种介质的“折射率”表示通过该介质的光速与通过另一种介质时的光速有何不同。1个。

当一束白光穿过棱镜时，光中的颜色并不都是均匀弯曲的，因为对于不同波长的光，材料(在这种情况下，无论棱镜是由什么组成)的折射率略有不同。波长越短，折射强度越大。当白光分裂成可见的颜色时，红光弯曲最小，紫光弯曲最多。

弗劳恩霍夫和他那个时代的其他研究人员面临的一个障碍是，光谱中的颜色彼此之间没有明显的分离。例如，仔细观察棱镜出射的光产生的光谱，研究人员无法准确判断红色在哪里变成了黄色。这些颜色一种一种地调和在另一种颜色中。一次又一次的实验证明在解决这个问题上都不成功，但在弗劳恩霍夫的尝试中，有一个结果特别引起他的兴趣。

使用燃烧酒精和硫磺产生的火焰作为光源，他看到当这种光通过他的棱镜时，结果在光谱的橙色区域产生了一条清晰界定的亮线。弗劳恩霍费尔的好奇心激起了他的兴趣，他用太阳作为光源，重复了这个实验，以确定光谱是否会显示相似的线条。牛顿通过允许太阳光从快门上的一个小圆孔进入，穿过棱镜，落在屏幕上，从而研究了光的光谱。弗劳恩霍夫用一个狭缝代替了牛顿快门上的圆孔，用一种被称为经纬仪望远镜的测量仪器代替了牛顿的屏幕。

正如他报告的那样，“在这个光谱中寻找我在人造光光谱中发现的亮线，我反而发现了无数条不同厚度的垂直线。这些线条比光谱的其余部分更暗，有些完全是黑色的。“2当他调整百叶窗缝隙或对设备的间距进行各种调整时，这些线条保持不变，排除了这些线条是他的实验仪器的产品的可能性。它们是太阳光本身的属性。

在开创性的论文中，弗劳恩霍费尔宣布了他的发现，来自太阳的光谱被许多暗线打断，这些暗线存在于所有的阳光中，无论是来自地球上其他物体的直接反射，还是来自月球和行星的反射。他标记了太阳光谱中最突出的十条线，并最终报告说他发现了574条线。

继续调查，弗劳恩霍夫发现暗线也出现在几颗明亮恒星的光谱中，但排列略有不同。他排除了光线通过地球大气层时产生这些线条的可能性。如果是这样的话，他们就不会以不同的安排出现了。他的结论是，这些线条起源于恒星和太阳的性质，携带着关于光源的信息，无论光源距离有多远。弗劳恩霍费尔不知道这些信息会是什么，这些线路将如何服务于未来，也不知道“弗劳恩霍费线”将成为科学界的一个家喻户晓的术语。

弗劳恩霍夫是一位忙碌而高效的企业家，在他的领导下，该研究所成为一家领先的望远镜制造商。他在回忆录中写道，“在做实验的过程中，…。我主要考虑了它们与实用光学的关系。我的闲暇时间不允许我做任何[其他实验]，也不允许我把它们扩大得更远。我走的这条路，…。在物理光学方面取得了有趣的成果，因此，我们非常希望有技术的自然界研究人员能俯首称臣，给予他们一些关注。“。他们当然会的！

然而，在他的有生之年，弗劳恩霍费尔没有得到同龄人应有的认可。著名的研究人员，如汉斯·克里斯蒂安·厄尔斯特德和约翰·赫歇尔来研究所拜访过他，但其他人认为他只是一个工匠，或者被研究所为保护其垄断而实行的过度保密所冒犯。

巴伐利亚州最终选择庆祝她的土生土长的儿子。1821年，在他完全缺乏学术训练的激烈辩论之后，皇家巴伐利亚科学院任命他为“特别访问成员”。两年后，他成为他们物理收藏品的馆长。1822年，埃尔兰根大学授予自学成才的弗劳恩霍费尔荣誉博士学位。1824年，当国王马克西米利安一世·约瑟夫授予冯·弗劳恩霍费尔巴伐利亚王室公务员勋章骑士称号时，弗劳恩霍费尔成为了冯·弗劳恩霍费尔。慕尼黑市政府通过免除他缴纳城市税来纪念这一时刻。

画像把冯·弗劳恩霍夫描绘成一个衣冠楚楚、活泼活泼的人，但他总是有些虚弱。他在含有有毒氧化铅的玻璃熔炉中的工作可能是导致他在1826年6月死于“肺结核病”的原因之一。他当时39岁。

乌茨施奈德显然在想弗劳恩霍夫在研究所用望远镜所做的工作，他用一句话来歌颂他：“他让我们更接近星星。”他可能会更准确地说，他的年轻朋友在旅途中帮了我们一个重要的忙，让我们知道星星有多远，因为冯·弗劳恩霍费尔确实在星光下发现了隐藏的密码。

直到19世纪初，恒星的化学和物理组成似乎还是一门无法获得的知识。然而，在本世纪中叶，当安德斯·恩斯特伦、莱昂·福柯和乔治·斯托克斯爵士等研究人员认识到弗劳恩霍夫在太阳光谱中探测到的一对线与实验室中在钠光谱中看到的一对线的波长相同时，这一假设开始受到严重挑战。很明显，太阳一定含有钠。

19世纪50年代末，一对年轻的研究人员-物理学家古斯塔夫·基尔霍夫(Gustav Kirchhoff)和化学家罗伯特·本森(本森燃烧器)-证实，弗劳恩霍夫发现的线条是太阳大气中不同化学元素的特征。威廉·哈金斯(William Huggins)在1863年对他们的工作和弗劳恩霍夫(Fraunhofer)对恒星光谱的研究进行了跟进，并认识到地球上和太阳中存在的元素也存在于恒星中。正如哈金斯所写，“在这个解开的星光中存在着一种奇怪的密码系统。在天文学家的手中，棱镜现在已经变得比人们所说的“阿格里帕的魔镜”更能揭示未知。通过观察弗劳恩霍夫谱线的模式，并记录它们在光谱中的位置，就有可能辨别出恒星的化学成分。

在这张图片的背后，我们现在更好地理解了恒星中心区域的核反应产生的能量，主要以光子的形式向外传播到恒星的外部。在穿越恒星某些层的过程中，组成恒星流体物质的高度电离原子吸收并重新发射光子。辐射最终流入星际空间，保留了发生这种活动的最后一层的图像，现在该图像中缺少了某些波长的光。缺失的波长(实际上是缺失的颜色)在光谱中显示为黑色线条，称为“吸收”线条。每条线代表一个特定的元素，并且线的强度与该元素的丰度有关。线条的大小和形状与恒星流体物质中的温度、压力和湍流运动有关。

使用夫琅和费线帮助将恒星分类的过程始于19世纪60年代，当时，罗马罗马学院天文台(即现在的梵蒂冈天文台)的安吉洛·塞奇神父根据恒星谱线的相对亮度和宽度将恒星分为不同类型。直到18世纪末，研究人员一直认为有可能通过比较恒星从地球上看起来有多亮来计算它们到恒星的距离。这个想法是基于这样一种知识，即光的表观亮度(在你看来有多亮)随着距离的增加而减少，这在数学上是可靠的，可以用艾萨克·牛顿的平方反比定律来总结。3如果你有两个相同的100瓦灯泡，其中一个离你的距离是另一个的两倍，那么较远的灯泡的亮度将只有较近的灯泡的四分之一。不幸的是，这样的计算对恒星没有帮助，因为恒星并不都是相等的“瓦数”。它们的“绝对亮度”(特写或“固有”亮度)变化很大。然而，人们仍然希望，如果恒星属于不同的类别，这些类别的知识可能会帮助我们知道它们的绝对星等。

当哈佛大学天文台的爱德华·C·皮克林(Edward C.Pickering)和他的同事们开始将光谱聚焦在照相底板上时，排序变得更加复杂。随着研究的继续，大量的恒星可以归入极少数几个类别，这表明恒星的组成范围相当小。20世纪20年代，塞西莉亚·佩恩(Cecilia Payne)在哈佛大学的博士论文中确定，即使在这一小范围的不同光谱模式中，我们观察到的差异也是恒星温度的结果，而不是因为它们的组成差异很大。通过对原子结构和谱线成因的更深入的了解，可以根据表面温度对恒星进行有意义的分类。

计算到恒星的距离的诀窍是找到一种独立的测量它们的绝对星等的方法。今天，一张被称为赫茨斯普林格-罗素图的表格提供了这一点。如果你知道一颗恒星的光谱类型(通过研究它的光谱线)，并考虑到某些假设，你就可以从图中读出恒星的绝对等级数。知道了恒星的绝对星等，你就可以通过测量它的表观星等并使用牛顿的平方反比定律来计算它的距离。

弗劳恩霍费线在20世纪扮演的最戏剧性的角色是发现宇宙正在膨胀。如果光源朝我们移动，来自它的光波就会被挤压在一起。其光谱中的线条向蓝端移动(“蓝移”)。如果震源正在转移，它们就会伸展开来。光谱中的线条向红端移动(“红移”)。20世纪20年代末，埃德温·哈勃(Edwin Hubble)和米尔顿·胡马森(Milton Humason)在研究这种变化时发现，除了聚集在我们银河系附近的星系外，宇宙中的每个星系似乎都在从地球后退。事实上，在大尺度上，每个星系都在相互后退。光谱中线条的移动量是星系接近或后退速度的指示器。

星系越远，它们后退的速度就越快，这一发现是宇宙正在膨胀的令人信服的证据。正如哥伦比亚大学天体生物学中心主任Caleb Scharf所说：“当[弗劳恩霍夫]第一次将太阳光分割得足够精细，以便看到其复杂的光谱时，他是在为像埃德温·哈勃这样的科学家奠定基础，他们分割了遥远星系的光线，并意识到宇宙是一个充满活力的野兽。”

冯·弗劳恩霍费尔在200年前设计和建造的透镜和望远镜与当时生产的任何其他透镜和望远镜不相上下或更好。他的发明和创新使它们更容易使用和更有效。这些实际成就对他的实验工作既不是偶然的，也不是仅仅是分心。他们对它的成功至关重要。很少有技术天才和理论天才如此完美地配对，也很少有配对对知识的未来更重要。他给了我们一个工具来测量到恒星和星云的距离--这是现代测量宇宙大小的关键阶梯。

基蒂·弗格森(Kitty Ferguson)是九本科普书籍的作者，其中包括测量宇宙，最近还出版了斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)的传记。

丹尼尔森：“宇宙之书：从赫拉克利特到霍金的宇宙想象”，珀尔修斯出版社(2000)。

“信仰的光谱：约瑟夫·冯·弗劳恩霍费尔和精密光学的手艺”，麻省理工学院出版社(2000)。

沃尔夫冈，J.弗劳恩霍费尔在伯顿的Benediktbeuern玻璃工厂和车间，Van Iersel&；Whitney GmbH(2008)。