【译者之言：遥远的天体，人类难以涉足，因而无法取得这些天体的样品，那科学家们又如何知道它们的成分呢？又是伟大的科学家牛顿，他的发现开启了这项工作，为后来的科学家们提供了透视宇宙的神器。】

我和我亲爱的妻子珍妮特，一直保持着一个老习惯，就是喜欢相互牵挂。我们几乎天天厮守在一起，只有偶尔，其中一个会被迫独自冒险，走进外面广阔的世界。即使就在公寓的两端，我们都会变得不安，所以你可以很容易想象，这种分离会是多么的痛苦。

首先，预先就会有许多“这样要小心，那样要小心”的焦虑，这关系到疯狂的交通、坠落的屋檐和可疑的旁观者，等等。然后，不管我们谁到达了要去的地方，都会立即打电话报告平安。最后，还要对返回时间进行精确估计，我俩都清楚，担心的机器什么时候会挂到高速挡。到目前为止，我不得不说，我们俩什么事都没有发生过，但每一次新出行都是一次新的冒险。

珍妮特特别擅长这一点，她总是会设法在我准备回家的半小时前，开始她的担心。而我有时却会失手，因为我可能正沉湎于我的写作，而发生这种情况时，我通常是一脸懵逼，不知道具体时间。

星期一晚上，珍妮特经常去她的精神分析研究所开会，并且总是在9点到9点15分之间回家。

又到了某个星期一，我正忙着处理文字，碰巧看了一下手表，发现已经是晚上10点了。珍妮特还没有回来，而我已经忘了这件事。我突然想到，现在是我最喜欢的电视节目之一“Newhart”开播的时候了，于是我打开了电视。

晚上10点05分，珍妮特回来了，她在研究所开会，出现了一些长时间的讨论，所以回来晚了。她原本以为我会担心得半死，并紧张地准备向我道歉，但她发现我的眼睛盯在电视屏幕上，只是心不在焉地向她挥了挥手。

她毫不客气地问道，“你难道不担心吗？”

当然，我也是婚姻游戏中的老手了，所以我打死不承认自己忘记了时间。我大为光火地回答说，“当然担心，我很担心，非常担心，极度担心。”

“那你打算怎么办呢？””她想知道。

“我本打算给学院打电话，问问你在哪里，如果你还在那里，我会去接你。”

她又继续问，“那你打算什么时候打电话呢？”

我指着电视说，“Newhart一结束就打。”

还好，珍妮特挺幽默，她突然大笑起来，说她很高兴，终于认清了她在我心目中的位置。

好吧，在前面的两篇短文之后，我仍然试图将太阳纳入我的写作计划中，所以让我们继续。

· · ·

正如我在前两篇短文中所解释的那样，亚利士多特认为，太阳和所有其他天体，都是由与构成地球完全不同的材料构成的，近两千年来，学者们也一直跟随着他提出的这种想法。

直到1609年，这种大家长期持有的观点才开始动摇。那一年，伽利略（1564-1642年）首次将望远镜指向天空，在观察月亮时，他看到了环形山、山脉和看上去像海洋的世界。简而言之，月球的外表与地球非常相似。

此外，当其他天文学家也开始使用望远镜时，他们发现行星都显示出圆盘状，而不只是光点，因此它们也应该是像地球一样的世界。它们像地球一样绕着它们的轴旋转。一些行星还显示了带有大气和云的清晰证据，火星还带有极冠冰帽，等等。

研究的行星越多，就越发现它们总会在某些方与地球相似，如果它们有地球一般的外观，难道它们就不可能有地球的一般化学成分吗？然而，外表相似的论点很有趣，但这并不是证据。

不过，其他类型的相似性又出现了。艾萨克·牛顿（Isaac Newton）（1642-1727年）在1687年发表了他的万有引力理论，并明确地表示，行星与地球物体受到的引力是一样。他甚至认为这些引力是普遍存在的，支配着宇宙中的每个物体。如果地球物体和天体受同样的自然法则约束，它们不就应该由相同的物质组成吗？

首先，牛顿的观点也有其局限性，他可以说万有引力定律是具有普遍性的，但他只能将其应用于构成太阳系的物体。可以肯定的是，在牛顿时代，除了天空中那些不重要的背景恒星粉末外，太阳系被认为组成了整个宇宙。

到了1793年，德国出生的英国天文学家威廉·赫歇尔（William Herschel）（1738-1822年）已经证明有双星相互环绕。这些环绕的恒星正好符合牛顿的万有引力理论，从那时起，毫无疑问，万有引力（以及其他自然规律）就开始被认为是具有普遍性的了。

然而，即使宇宙中的一切事物都遵循相同的自然规律，这并不一定就能证明，宇宙中所有的物体都是由相同的基本材料构成的。象牙台球和塑料台球可能遵循相同的运动规律，可能具有相同的弹性、硬度，但这并不能证明象牙和塑料是相同的材料。

我们真正能够确定太阳等天体的化学性质的唯一方法，似乎应该是，真正获得每个天体的一小片材料，并进行化学分析。所以，1835年，奥古斯特·孔特（Auguste Comte）认为，恒星的化学成分，是那种永远无法获得的信息科学的一个示例（正如我在上一篇短文的最后所说的），这就不足为奇了。

· · ·

但有些东西确实从恒星，尤其是从太阳抵达了我们。这个事实人类一开始就知道了, 我们的祖先进化出了一个足够大的大脑，使他们能够对周围的宇宙充满好奇。光来自我们能看到的所有天体，但大多是来自太阳。

那么，问题是，光是否能告诉我们，有关太阳的什么东西呢？

如果光是均匀的、无定形的、不变的，无论它的源头在哪里，它都不会给我们提供任何信息，对于了解它的源头的性质也是毫无用处的。

1665年，牛顿证明光不是均匀的，也不是没有定形的。它是不同颜色的混合物，当通过玻璃棱镜时，可以扩散成各种颜色：红色、橙色、黄色、绿色、蓝色、紫色，每一种颜色都逐渐隐入下一种颜色。

光通过玻璃，明显发生了不同程度的弯曲（即“受到折射”）。其属性上的不同，可能会带来不同的折射率，但这还只是一种推测。直到1801年，英国物理学家，托马斯·杨（Thomas Young）（1773-1829年），证明光是一种波的现象，他甚至还证明，这些波的波长很短，不到百万分之一米。那么，普通的光（比如说，来自太阳的光）就可能是一种不同波长的光波的混合物。玻璃棱镜将它们区分出来，每一种光线被折射的量取决于其波长；波长越短，折射率就越大。这样，有序排列的波长就构成了光谱，从最长的可见红色光光波到最短的可见紫色光光波，不同的波长组与视网膜中的色素发生不同的反应，从而产生了大脑中颜色的概念。

关于光波的性质还存在一些问题。已知的有两种波。一种是像声音中的那种波，波在移动方向上交替压缩和释放（“纵波”）。也有出现在扰动水面上的那种波，波与移动方向成直角上下移动（“横波”）。

1814年，法国物理学家奥古斯汀·让·菲涅尔（Augustin Jean Fresnel）（1788-1827年）证明了光波是横波。

那么这对我们有什么帮助呢？太阳发出大量的微小横波的混合物，带有各种可能的波长，并且我们可以把它们分开，按顺序排列，但我们又如何从此处穿越到化学成分呢？我怀疑，在菲涅尔时代，是否会有人思考过这么一个跨界的问题。毕竟，它们之间似乎没有任何联系。

还是在1814年，德国眼镜师约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫（Joseph von Fraunhofer）（1787-1826年），经常用到透镜、棱镜等等。他是当时最好的眼镜师，他必须精确地知道，所使用的玻璃的折射能力。他通过让阳光穿过棱镜，形成光谱，对棱镜进行测试。

然而，他得到的光谱并不是连续的。它被狭窄的黑暗区域打断了。在阳光中，到处可见缺少一些波长的光，留下了黑暗的区域。

关于为什么这些黑暗区域以前从来没有被注意到，还有一个小小的疑问。有些人认为，牛顿在使用棱镜生成第一个光谱时，就应该注意到了它们。1802年，英国化学家威廉·海德·沃拉斯顿（William Hyde Wollaston）（1766-1828年）也看到了一些黑暗区域，但他一点都没重视这个问题，因此也没有跟进。

在我看来，这似乎只是一个，弗劳恩霍夫使用了质量非常好的玻璃，和完美磨制的棱镜的问题。在沃拉斯顿观察到大约七个黑暗区域的地方，弗伦霍夫观察到了近600个。此外，他还将它们绘制成图，指出它们总是落在光谱上的同一位置，无论他使用的是直射的阳光，还是月球反射的太阳。（顺便说一下，现代物理学家可以在太阳光谱中探测到大约一万条暗线。）

· · ·

四十多年的时间里，大家对这些光谱线并没有做过什么研究，但化学家们却认识到，地球上的光和化学成分之间存在相互关系。

早在18世纪50年代，瑞典矿物学家阿克塞尔·弗雷德里克·克朗斯泰特（Axel Fredrik Cronstedt）（1722-1765年）就开始使用吹管，吹管可在矿物上产生炽热的火焰。这样就可以从火焰中、生成的蒸汽中以及灰烬中展现出来的颜色，获得关于矿物化学成分的信息。

随着时间的推移，人们发现，被加热的物质的蒸汽可产生有特征的光。炽热的钠蒸汽往往产生黄色光；钾蒸汽产生紫色光；钡蒸汽产生绿色光，而锶蒸汽产生红色光；等等。这样的效应，实际还被用来在烟花中产生壮观的色彩。

德国化学家罗伯特·威廉·邦森（Robert Wilhelm Bunsen）（1811-1899年），是对研究这些颜色感兴趣的人之一。他仔细研究了加热的矿物，但是，他用于加热的火焰通常会有自己的颜色，往往会将想要的结果给遮掩掉了。

因此，邦森利用了一种他在1857年改进的燃烧器，将空气输入天然气，进行完全燃烧，产生温度很高，颜色很少的火焰。这就是“邦森燃烧器”，半个世纪前，当我学习化学时，这种燃烧器仍然是实验室必备的设备。

使用邦森燃烧器，意味着加热矿物产生的颜色更清晰，更不容易混淆，可以更有效地将一种材料与另一种材料区分开来。当时，德国物理学家古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff）（1824-1887年）经常与邦森合作，他产生了一个非常关键的想法。为什么只用眼睛去研究颜色？为什么不让带颜色的光通过棱镜呢？

就这样，邦森和基尔霍夫两人开发了第一台“分光镜”，让光线先通过一条窄缝，然后再穿过棱镜。每种不同波长的光按其特征量被棱镜折射，作为一种特定颜色的狭缝的图像，落在特定位置的屏幕上。如果所有波长的光都存在，它们就会像士兵列队一样排列，形成一条连续的光谱。致密的材料，被加热到白炽的温度，就会产生这种连续的光谱。

不过，蒸气只产生一定波长的光。一种在加热后释放钠蒸汽的矿物，主要会产生位于光谱的黄色区域的，波长紧挨着的光。

到了1859年，基尔霍夫在研究了许多矿物之后，他宣布，每种不同类型的原子在加热成炽热的蒸汽时，都会产生自己的谱线图案。通过它们的光谱“指纹”，就可以识别出不同的元素。

当然，最终不可避免的结果是，有一些矿物被加热时，会在没有任何已知元素的谱线点位处出现一条谱线。其结论就是，检测到了一种迄今为止未知的元素。

1860年5月10日，基尔霍夫宣布，某种矿物在光谱的蓝色区域产生了一条谱线，而此处并没有任何已知元素产生的谱线。因此，矿物中存在一种新元素，他称之为铯（cesium（源自意为“天蓝色”的拉丁语））。一旦化学家知道了铯的存在，他们就用通常的化学程序来处理这种矿物，并生产出了该元素。

一年之内，基尔霍夫发现了一条标志着铷（rubidium（源自意为“红色”的拉丁语））元素的红线。同样，其他化学家还发现了铟（indium（希腊语“indigo”，意思是靛蓝色））和铊（thallium（源自意为“叶绿色”的希腊语））。

· · ·

但这和天体又有什么关系呢？

在1859年，基尔霍夫不禁注意到，由加热的钠蒸汽产生的两条紧挨着的黄线，似乎都落在光谱中的同一位置，就像近半个世纪前，弗劳恩霍夫首次记录的两条太阳光谱的暗线一样。弗劳恩霍夫把这两条暗线标记为“D”，而在基尔霍夫看来，太阳光谱的D线一定与发光的钠黄线之间有着某种联系。

也许这只是一种表面的联系，也许暗线和黄线碰巧在同一个地方。基尔霍夫想出了一种测试物质的方法。他让阳光通过炽热的钠蒸汽，然后通过分光镜的缝隙。钠蒸汽会提供黄色光，可能会填补太阳光中缺少的那些波长，其结果应该是，太阳光谱加上钠光会擦去那些D线，留下光滑、无污点的光谱。

但这一切并没有发生！让基尔霍夫惊讶的是，D线还在那里，事实上，它们比没有发光的钠时，颜色还要深。

他进一步进行了实验，结果发现：加热的元素会释放出一定波长的其自身特性的光。然而，如果来自可形成连续光谱的光源的光，通过比自己更冷的蒸汽，该蒸汽则会吸收在它足够热时会发出的，一样波长的光。

因此，钠在被加热时会产生一条典型的黄色双线光。当来自某个比其自身更热的光源的光，通过钠蒸汽时，钠蒸汽会吸收那些相同波长的光，使得这些波长消失，并产生一条双暗线。当基尔霍夫让太阳光通过钠蒸汽时，蒸汽不提供黄光，而是将其吸收，使暗线变得更暗。较热时发射，较冷时吸收，这一效应被称为“基尔霍夫定律”。

现在我们就可以理解，为什么太阳光谱中有暗线了。光是由太阳燃烧表面的加热层形成的，由于致密结构的复杂性，它产生连续的光谱。连续光谱的太阳光，穿过太阳大气的蒸汽，而蒸汽位于太阳产生光的表面的上方。虽然按照地球的标准来说，太阳的大气非常炽热，但它还是比表面要冷得多，它会吸收一些波长的光。所以当太阳光到达我们地球和我们的仪器时，就会有成千上万条的暗线穿过，显示出其缺失的波长。

依据太阳光谱中的D暗线，我们就可以推断出太阳大气中包含有钠原子；此外，钠原子在太阳上的特性与它们在地球上的特性完全相同。

这样，在孔特去世后仅两年，基尔霍夫就反驳了孔特那个关于不可能的断言。但并不是每个人都对此印象深刻。基尔霍夫有一位银行家，在得知基尔霍夫发明了探测太阳中元素的方法后，他说（非常愚蠢地——不过，他只是个银行家），“如果太阳上的金子不能落到地上，它又有什么用呢？”

后来，当基尔霍夫因在光谱学方面的成绩，被英国授予勋章和金币奖励时，他把钱存在了他的银行家那里，他说：“这就是来自太阳的金子。”

· · ·

其他的科学家，也开始通过这种非常强大的新技术，来研究太阳和其它天体。瑞典物理学安德斯·乔纳斯·安斯特朗（Anders Jonas Angstrom）（1814-1874年）非常详细地研究了太阳光谱，并在1862年宣布，太阳系中存在具有氢特性的谱线。这很重要，因为最终证明，氢是太阳的主要组成成分，也是宇宙的主要组成成分。

安斯特朗接着还发现了其他元素的特征谱线，1868年，他发表了一张光谱图，仔细定位了大约1000条谱线的波长。

此外，他在测量这些谱线的波长时，采用了相当于百万分之一米的单位。这种单位在1905年被正式命名为“埃（Angstrom）”。直到今天，它有时仍然被用作波长的单位，但它现在已不是科学界国际单位制的一部分了。光的波长应该采用纳米进行测量，而1纳米等于10埃。

太阳并不是唯一一个被研究过的，能发光的天体。安斯特朗本人在1867年还研究了北极光的光谱。

更重要的是，英国天文学家威廉·哈金斯（William Huggins）（1824-1910年）所开展的工作。他研究了星云、恒星、行星、彗星的光谱——让任何发光天体的光线通过望远镜，然后再通过棱镜，以生成可见的光谱。

1863年，他从对各种恒星的谱线的研究中宣布，地球上存在的元素，不仅同样存在于太阳上，而且也存在于他研究的所有恒星中。从那时起，科学家们已确信，地球上那些拥有一个或多个稳定同位素的81种元素，也就是宇宙各处那些拥有一个或多个稳定同位素的81种元素。

有些时候，可以肯定的是，通过对来自天体的光进行光谱分析，似乎表明会存在一种新的元素，而且是一种地球上并不存的元素。

最著名的例子是，1868年，法国天文学家皮埃尔·朱尔斯·塞萨尔·詹森（Pierre Jules Cesar Janssen）（1824-1907年）正在印度研究日全食时的日冕。他探测到了他无法识别的谱线，并将数据发送给了英国天文学家约瑟夫·诺曼·洛克耶（Joseph Norman Lockyer）（1836-1920年），这是光谱学方面的一位专家。洛克耶同意詹森的说法，即这些线条代表了一个未知的元素，他将其命名为“helium（氦）”，源自希腊语中的“太阳”。

其后27年，氦似乎就是我们所说的“亚里斯多德式的元素”，它只存在于天体中，但不存在于地球上。直到1895年，英国化学家维利亚姆·拉姆齐（Wiliam Ramsay）（1852-1916年）听说在美国从铀矿物中获得了一种气体，并且已被确定为氮气，因为它无气味、无色，呈现出化学惰性（即不愿意参与化学反应）。所有这些都是氮气的特征。

不过，拉姆齐刚刚参与了氩气的发现，氩气是一种像氮气一样的气体，无色、无气味、呈现化学惰性，但它不是氮气。（氩比氮惰性更强，因为氮在某些情况下会与其他物质发生反应，但氩从来就不会。）区分氩气和氮气最简单的方法是，给气体加强热并研究其谱线。这两种元素在很多方面看起来非常相似，但它们的光谱指纹完全不同。

在拉姆齐看来，从铀矿中所获得的，所谓的氮气可能是氩气。拉姆齐获得了一些样本，并研究了它产生的谱线。

没错！它绝对不是氮气。

但它也不是氩气。事实上，当时拉姆齐一定整个都惊呆了，谱线正是在1868年日食中观测到的谱线。它是氦气，地球上的氦气！

自1868年以来，还探测到到了其它的谱线，它们与地球上任何东西都不匹配。科学家们假设了其他未知的元素，还为它们命名，如：“coronium”、“geocoronium”、“nebulium”等等。这些都是谎报。它们根本不代表什么新的元素，完全是普通元素（如：铁）的原子，只是在太阳极端的条件下，产生了在地球上从未产生过的谱线。

如果你感到好奇，我们可以总结一下我们现在对太阳成分的了解。太阳几乎全部由两种元素组成：氢和氦，而这两种元素的原子结构恰好最简单。在质量方面，太阳大约有四分之三是氢，四分之一是氦。

我们在地球上知道的所有其他元素也存在于太阳中，但数量很少。除了氢和氦以外的元素可能只占太阳质量的1.6%。在这些少量元素中，50%的质量是氧，30%是碳。而所有其他元素则只占这1.6%中的20%（即，占太阳质量的0.3%）。

这样看起来，好像太阳和地球在组成上有根本的不同。太阳的98%以上由氢和氦组成，而地球的98%以上，根据大多数人的估计，由六种元素组成——铁、氧、硅、镁、镍和硫。这与太阳没有重叠。

然而，两者并没有根本的区别。整个太阳系是由一团尘埃和气体云形成的，其组成成分与太阳非常相似。质量很大的天体，比如：太阳，带有引力场，可以抓住任何东西。因此，除了在46亿年的核聚变过程中，将部分氢转化为氦之外，太阳基本上拥有原始气体云的成分。

如果一个天体质量适中，但温度较低（在低温下更容易留住轻原子），那么，它的组成同样也是原始气体云的成分。木星、土星、天王星和海王星就可能几乎全部是氢和氦。

然而，如果一个天体很小，它就缺乏抓住氢和氦所需的引力，所以它会由气体云中的少量元素组成。因此，带外行星的卫星就可能含有丰富的结冰物质（包括碳、氧和其它物质，以及一些与氧结合，形成冰冻水的氢）。

温度较高的小天体，往往会失去所有的挥发性物质，它们主要由硅酸盐（岩石物质）和金属组成。内太阳系的天体：火星、地球、月球、金星和水星都是如此。幸运的是，我们的地球足够大，还可以保留大量的水。

（作者：艾萨克.阿西莫夫（Isaac Asimov），译者：劲松）