'光'可以說(shuō)是這個(gè)世界最迷人的話(huà)題之一，從人類(lèi)文明誕生起就開(kāi)始了光的討論。在公元前六世紀(jì)到五世紀(jì)，古印度哲學(xué)中的一個(gè)學(xué)派認(rèn)為光是組成世界萬(wàn)物的五微塵，另一個(gè)學(xué)派認(rèn)為光是高速流動(dòng)的火原子。在公元前300年，古希臘數(shù)學(xué)家、幾何學(xué)之父歐幾里得就著有《光學(xué)》，他嘗試用數(shù)學(xué)來(lái)研究光的性質(zhì)，并取得了一些成果。公元前55年，羅馬的盧克萊修就意識(shí)到光可能是一種微粒。

17世紀(jì)，法國(guó)著名學(xué)者笛卡爾認(rèn)為光是一種波，它需要在介質(zhì)中傳播。后來(lái)牛頓繼承了這一觀(guān)點(diǎn)，并在《光學(xué)》一書(shū)中將這種觀(guān)點(diǎn)發(fā)揚(yáng)光大。在這之前的四十年，胡克就發(fā)表了光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)。胡克和牛頓的矛盾可能就源于這個(gè)學(xué)術(shù)觀(guān)點(diǎn)的沖突，以至于發(fā)展成一生的敵人。牛頓說(shuō)了一句話(huà)：'我之所以看得遠(yuǎn)，是因?yàn)槲艺驹诰奕说募缟稀?這是在嘲笑胡克是一個(gè)矮子。光的粒子性和波動(dòng)性在隨后的兩百年一直都爭(zhēng)執(zhí)不休，各有各的道理，誰(shuí)也說(shuō)服不了誰(shuí)。

直到20世紀(jì)初，光的波粒二象性才被科學(xué)家正確的認(rèn)識(shí)。有了對(duì)光的正確認(rèn)識(shí)后，天文學(xué)也有了重大的進(jìn)步，天文學(xué)家可以通過(guò)分析光（電磁波）就可以了解發(fā)生在遙遠(yuǎn)宇宙中的幾乎一切事情。接下來(lái)我們看一下天文學(xué)家都能從光譜里了解到一些什么信息。

圖：電磁波光譜，可見(jiàn)光只占一小段，天文學(xué)家分析的光譜指的是整個(gè)電磁波波普

在1814年，德國(guó)眼鏡商人約瑟夫.馮.弗勞恩霍夫發(fā)明了光譜儀，這個(gè)儀器可以將光分解成及其精細(xì)的結(jié)構(gòu)。他發(fā)現(xiàn)這些色帶中有一些暗線(xiàn)，這些暗線(xiàn)在光譜中出現(xiàn)的位置和發(fā)光的材料不同而不同，就如同材料的指紋一樣。接下來(lái)人們對(duì)大部分元素進(jìn)行了光譜分析，發(fā)現(xiàn)每種元素都有獨(dú)特的光譜。

圖：氫元素的發(fā)射光譜

天文學(xué)家用這種光譜儀來(lái)分析陽(yáng)光，這才發(fā)現(xiàn)原來(lái)太陽(yáng)也是由地球上常見(jiàn)的元素構(gòu)成的??！同樣，用光譜分析遠(yuǎn)處的恒星，發(fā)現(xiàn)這些恒星和太陽(yáng)的區(qū)別不大，不是以往認(rèn)為的'黑球上的空洞'。

天文學(xué)家還可以根據(jù)維恩位移定律得知恒星表面的溫度。即：溫度與輻射的峰值波長(zhǎng)成反比。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，溫度越低。紅光波長(zhǎng)長(zhǎng)，溫度低；藍(lán)光波長(zhǎng)短，溫度高。

圖：溫度從低到高

但對(duì)太過(guò)遙遠(yuǎn)的恒星利用維恩定理來(lái)確定溫度是困難的，后來(lái)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)不同溫度范圍時(shí)對(duì)譜線(xiàn)的吸收是不同的，這樣就可以通過(guò)分析光譜就知道了遙遠(yuǎn)恒星的溫度。知道了恒星的溫度和譜線(xiàn)的寬度就能知道它的氣壓。

天文學(xué)家根據(jù)恒星光譜的不同，將它們進(jìn)行了分類(lèi)。并畫(huà)在了赫羅圖上，通過(guò)赫羅圖我們可以知道恒星的演化階段，知道它的過(guò)去和未來(lái)。

圖：赫羅圖

恒星的溫度還可以告訴我們恒星單位面積釋放了多少光。通過(guò)測(cè)量恒星的距離和視亮度，就可以計(jì)算出它的總共發(fā)出了多少光，這就可以計(jì)算出它表面積的大小，從而得到它的大小。

由于光具有波動(dòng)性，所以它也有多普勒效應(yīng)。就像一列火車(chē)迎面而來(lái)時(shí)汽笛聲會(huì)顯得尖銳，離去時(shí)聲音會(huì)顯得低沉。這是因?yàn)槁暡ǖ牟ㄩL(zhǎng)會(huì)被聲源的運(yùn)動(dòng)所壓縮或拉長(zhǎng)。光波同樣具有這樣的性質(zhì)。通過(guò)對(duì)銀河系外恒星光譜和太陽(yáng)光譜的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，它們大多數(shù)的光譜向波長(zhǎng)長(zhǎng)的紅色一端移動(dòng)了，即：'紅移'。

圖：光的多普勒效應(yīng)

圖：遙遠(yuǎn)恒星（左）與太陽(yáng)光譜（右）的對(duì)比，這些吸收譜線(xiàn)向著紅色一端移動(dòng)了

通過(guò)紅移天文學(xué)家知道了大多數(shù)系外星系都在遠(yuǎn)離我們，這說(shuō)明宇宙不是人們一直認(rèn)為的靜態(tài)，而是在膨脹。對(duì)這個(gè)結(jié)論進(jìn)行反演，不難得到宇宙起源于一次大爆炸。

由于很多恒星都有伴星，像太陽(yáng)這樣的'獨(dú)生子'是不多見(jiàn)的。恒星和伴星在萬(wàn)有引力作用下相互繞行，這種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)使得光譜有規(guī)律的變化，分析這種變化就能得出它們運(yùn)轉(zhuǎn)的速度。我們還可以測(cè)量恒星間的距離，得到軌道參數(shù)。通過(guò)萬(wàn)有引力定律就能計(jì)算出恒星的質(zhì)量。

由于行星圍繞著恒星運(yùn)行時(shí)會(huì)有規(guī)律的遮擋恒星發(fā)出的光，通過(guò)這點(diǎn)就能知道這顆恒星有無(wú)行星以及行星體積和質(zhì)量的大小。在2001年，天文學(xué)家甚至通過(guò)分析系外行星通過(guò)恒星時(shí)對(duì)恒星光譜的吸收，分析出了系外行星大氣層的元素構(gòu)成。

測(cè)量光譜線(xiàn)分裂的近鄰分支線(xiàn)的數(shù)量就能計(jì)算出恒星表面磁場(chǎng)強(qiáng)度。

光譜就像一本寫(xiě)著宇宙秘密的天書(shū)一樣，等待著科學(xué)家去讀解。這也是科學(xué)家總想著從政府預(yù)算中掏出數(shù)以十億美元計(jì)的資金去發(fā)射太空望遠(yuǎn)鏡的原因。

圖：哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，遠(yuǎn)處恒星的光穿過(guò)了星系空間中的氣體團(tuán)，被吸收掉了特定的光譜，通過(guò)分析光譜就能知道這些難以被觀(guān)測(cè)的氣體團(tuán)的成分和距離

一個(gè)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射和維修就花費(fèi)了約85億美金，但物有所值?。⊥ㄟ^(guò)觀(guān)察來(lái)自宇宙的光譜，科學(xué)家們測(cè)量出了更精確的造父變星的距離，得到了更加準(zhǔn)確的哈勃常數(shù)范圍，從而計(jì)算出更加正確的宇宙年齡與膨脹速度；確認(rèn)了星系核心中存在著超大質(zhì)量黑洞的理論；拍攝到了蘇梅克-列維9號(hào)彗星撞擊木星的照片；拍攝了哈勃深空等等。

圖：哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝到的一些照片

但哈勃太空望遠(yuǎn)鏡還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了天文學(xué)家的'貪婪'，總耗資96.6億美元的詹姆斯.韋伯太空望遠(yuǎn)鏡將于2021年升空，它比哈勃望遠(yuǎn)鏡更加的先進(jìn)，看得也更遠(yuǎn)，它的發(fā)射預(yù)示著一大波宇宙的奧秘將被發(fā)現(xiàn)。

圖：詹姆斯.韋伯太空望遠(yuǎn)鏡

圖：人、哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和詹姆斯.韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的比較

圖：普通地面望遠(yuǎn)鏡、哈勃望遠(yuǎn)鏡、詹姆斯.韋伯太空望遠(yuǎn)鏡成像距離的比較