古人看星星，除了它們的位置（即所在的星座），只有很少幾個(gè)特征可以互相比較：大小、亮度、顏色。在照相技術(shù)出現(xiàn)之前，這些都只是肉眼觀察、記錄的結(jié)果，帶有很強(qiáng)的主觀偏見(jiàn)，而飄忽不定的地球大氣層對(duì)星光的干擾也會(huì)帶來(lái)更多的不確定因素。

照片上的影像終于讓天文學(xué)進(jìn)入了精確、客觀測(cè)量的新時(shí)代。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶煳膶W(xué)家在每幅照片上都會(huì)記錄曝光時(shí)所用的望遠(yuǎn)鏡、時(shí)間、角度、天氣狀況等因素，然后依據(jù)既定的公式計(jì)算、修正測(cè)量出的星星大小和亮度。

更大的突破卻是來(lái)自顏色。

彩虹是常見(jiàn)的自然景象，曾引得無(wú)數(shù)文人騷客為之感慨抒懷、浪漫想象。彩虹不只是出現(xiàn)在雨后的斜陽(yáng)照耀，而且在瀑布、水泡、玻璃折射下都能經(jīng)?？吹?。早年的物理學(xué)家，包括英國(guó)的虎克（Robert Hooke），他們認(rèn)為這是因?yàn)榘坠馔ㄟ^(guò)這些物體時(shí)被染上了顏色。

牛頓不滿意這個(gè)解釋。他在1666年進(jìn)行了系統(tǒng)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，證明了并非白光被“染色”。他的設(shè)計(jì)相當(dāng)簡(jiǎn)單：當(dāng)一個(gè)棱鏡把太陽(yáng)光分離成斑斕的彩虹后，他讓分離出的紅光光束再通過(guò)另一個(gè)棱鏡，發(fā)現(xiàn)出來(lái)的依然只有紅光——第二個(gè)棱鏡沒(méi)能將紅光再染上別的顏色。然后，他又讓第一個(gè)棱鏡分離出的所有顏色的光再通過(guò)倒過(guò)來(lái)的第二個(gè)棱鏡，發(fā)現(xiàn)那七彩的光又重新組合，恢復(fù)成了白光。因此，牛頓指出顏色是光本身的屬性。棱鏡不具備染色的功能，只是在改變不同顏色的光的路徑，因此可以分離、重組顏色。

牛頓為雙棱鏡實(shí)驗(yàn)手繪的設(shè)計(jì)草圖，這是演示分離出的紅光不會(huì)再度被第二個(gè)棱鏡“染色”

牛頓相信光束是由微小、肉眼不可見(jiàn)的粒子（corpuscle）所組成，這些微粒與其它物體一樣遵從他發(fā)現(xiàn)的動(dòng)力學(xué)定律。他推測(cè)光粒子通過(guò)棱鏡表面時(shí)受到了一種力，因此改變了路徑。他假設(shè)這個(gè)力對(duì)所有光粒子是一樣的，路徑扭曲程度便取決于粒子的質(zhì)量。因此，他認(rèn)定紅光的微粒質(zhì)量最大，光路被扭曲的程度最??；而紫光則反之。

當(dāng)然，牛頓看到的分離出的太陽(yáng)光與我們?nèi)粘？吹降牟屎缫粯?，是一道從紅到紫連續(xù)變化的亮色，卻并沒(méi)有光色之間的明顯界別。牛頓把這種光的分離稱為“色散”（dispersion），色散出來(lái)的連續(xù)顏色系列叫做“光譜”（spectrum）。參照樂(lè)譜中的音符，他大致地劃分出七種顏色，也就是我們今天常說(shuō)的“赤橙黃綠青藍(lán)紫”。

雖然他的雙棱鏡實(shí)驗(yàn)令人信服地確立了顏色是光的屬性，但他的“微粒說(shuō)”卻很快被拋棄。因?yàn)橄嗬^觀察到的光的衍射、干涉、偏振等現(xiàn)象無(wú)法用粒子說(shuō)來(lái)解釋，他的微粒說(shuō)被更早由虎克、惠更斯（Christiaan Huygens）等人提出的“波動(dòng)說(shuō)”所取代。光束與聲音、水面漣漪一樣是一種波動(dòng)，光的不同顏色來(lái)源于波動(dòng)的不同頻率：紅光的頻率最低，波長(zhǎng)最大；紫光則頻率最高，波長(zhǎng)最小。

大約150年之后，德國(guó)一個(gè)玻璃坊工匠弗勞恩霍夫（Joseph von Fraunhofer）注意到他生產(chǎn)的棱鏡產(chǎn)生的光譜中有一些細(xì)細(xì)的、不易察覺(jué)的黑線。他精益求精地優(yōu)化工藝，試圖消除這些瑕疵。經(jīng)過(guò)不懈的努力，他制作出當(dāng)時(shí)最優(yōu)質(zhì)的玻璃，引領(lǐng)德國(guó)超越英國(guó)成為世界光學(xué)儀器中心。但是，光譜里的那些小細(xì)線卻依然如故。

弗勞恩霍夫領(lǐng)悟到這不是玻璃的毛病，而應(yīng)該是來(lái)自光本身——因?yàn)槟切┖诰€在光譜中的位置（也就是頻率）非常固定。他把比較明顯的一些黑線用字母順序標(biāo)識(shí)出來(lái)，最引人注目的是黃光區(qū)有兩條相挨著的粗線：“D-雙線”。后來(lái)他又把望遠(yuǎn)鏡與棱鏡結(jié)合起來(lái)，可以更清晰地觀看太陽(yáng)的光譜，赫然發(fā)現(xiàn)其中居然有成百上千條這樣的黑線。由此，他發(fā)明了光譜儀（spectroscope）。

1987年德國(guó)郵政為紀(jì)念弗勞恩霍夫誕辰200周年發(fā)行的郵票，用的是他當(dāng)年描繪的太陽(yáng)光光譜

弗勞恩霍夫從小是個(gè)孤兒，沒(méi)有系統(tǒng)地接受過(guò)正規(guī)教育，然而他不僅在玻璃工藝上做出了杰出貢獻(xiàn)，還成為光學(xué)專家。除了光譜儀，他還根據(jù)光波的原理發(fā)明了“衍射光柵”（diffraction grating），能比棱鏡更有效地分離、辨識(shí)光譜。遺憾的是，他39歲時(shí)就去世，至死沒(méi)能明白那些黑線是什么。

30多年后，德國(guó)海德堡大學(xué)的物理學(xué)家基爾霍夫（Gustav Kirchhoff）和化學(xué)家本生（Robert Bunsen）合作才揭開(kāi)了這個(gè)謎。

早在唐宋年代，中國(guó)人已經(jīng)制作出煙花焰火，增添節(jié)日的喜慶。焰火的原理是一些礦物質(zhì)在受熱后會(huì)發(fā)出不同顏色的光?；鶢柣舴蚝捅旧l(fā)現(xiàn)這些顏色來(lái)自礦物質(zhì)中所含的化學(xué)元素。他們花了很大的工夫提純，然后用本生發(fā)明的“本生燈”（Bunsen burner）逐個(gè)加熱純化的元素，再用光譜儀觀察它們熾熱時(shí)發(fā)出的光。這時(shí)他們看到的不是七彩彩虹，而是一條條細(xì)細(xì)的、明亮的線條。令人驚奇的是，每種元素有著自己特定的譜線，猶如可辨認(rèn)的指紋。尤其是金屬鈉，加熱后有兩道亮麗的黃色譜線，恰好就在弗勞恩霍夫“D-雙線”的位置。

基爾霍夫意識(shí)到他們看到的亮線與弗勞恩霍夫發(fā)現(xiàn)的暗線其實(shí)是同一個(gè)現(xiàn)象的兩個(gè)方面：前者是元素受熱時(shí)發(fā)射的光，后者則是同一種元素從白光中吸收了同樣頻率的光后留下的“黑影”。因此，無(wú)論是看到亮線還是暗線，光譜儀都可以用來(lái)識(shí)別該元素。后來(lái)有一個(gè)晚上，他們從實(shí)驗(yàn)室看到遠(yuǎn)處發(fā)生火災(zāi)，便好奇地將光譜儀對(duì)準(zhǔn)火災(zāi)的火光，發(fā)現(xiàn)在光譜中可以找到鋇、鍶等元素的“指紋”。果然，這正是起火倉(cāng)庫(kù)里存有的貨物。

基爾霍夫（左）與本生

在那之后，眾多的科學(xué)家便將太陽(yáng)光譜中那些暗線與地球上觀察到的元素“指紋”作一一對(duì)比，很快辨認(rèn)出太陽(yáng)上有氫、氧、碳、鈉、鐵等元素，它們與地球上的相應(yīng)元素并無(wú)二致。當(dāng)發(fā)現(xiàn)一道黃色譜線找不到對(duì)應(yīng)元素時(shí)，他們就大膽猜測(cè)那是來(lái)自太陽(yáng)上才有的一個(gè)新元素，并以希臘文的“太陽(yáng)”命名為“氦”。十幾年后，氦才在地球上被發(fā)現(xiàn)，證實(shí)了這個(gè)元素的存在。

于是，天文愛(ài)好者又興致勃勃地把光譜儀連接到望遠(yuǎn)鏡上，要一舉探究恒星的構(gòu)成。微弱的星光被棱鏡色散之后就更難以捕捉。但有了用照相機(jī)長(zhǎng)期曝光的技術(shù)之后，這只是一個(gè)耐心和技術(shù)的問(wèn)題。

1863年，在30歲時(shí)突然變賣紡織家業(yè)而投入天文觀測(cè)的英國(guó)人哈金斯（William Huggins）成功拍攝到第一張恒星的光譜照片。1872年，亨利·杜雷伯拍攝到織女星的吸收譜線。及至1880年代，即使是肉眼看起來(lái)模糊不清的星云，也在哈金斯、杜雷伯等人的玻璃底片上留下了光譜“指紋”。

很快，哈金斯發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)恒星的光譜與太陽(yáng)光譜大同小異，也就是它們的成分對(duì)我們來(lái)說(shuō)都不陌生。他興奮地宣布：“每個(gè)星星閃爍的地方，都有太陽(yáng)系的化學(xué)”（The chemistry of the solar system prevailed, wherever a star twinkled）。也許美中不足的是，他沒(méi)能像發(fā)現(xiàn)氦那樣在外太空發(fā)現(xiàn)新的未知元素。

1840年代初，奧地利的多普勒（Christian Doppler）對(duì)星星看上去有不同的顏色很感興趣。他覺(jué)得他明白個(gè)中緣由，因?yàn)樗⒁獾讲ǖ念l率并不是絕對(duì)的，它會(huì)隨著觀察者與波源的相對(duì)速度而發(fā)生改變。1845年，荷蘭氣象學(xué)家巴洛特（Christophorus Buys Ballot）專門請(qǐng)了一個(gè)樂(lè)隊(duì)站在行駛中的敞篷火車上吹號(hào)，他在站臺(tái)上聽(tīng)到了“走調(diào)”現(xiàn)象：火車開(kāi)過(guò)來(lái)時(shí)號(hào)聲的音調(diào)偏高，離去時(shí)則偏低，因此證實(shí)了這個(gè)“多普勒效應(yīng)”。事實(shí)上，如果我們注意傾聽(tīng)行駛中的火車?yán)懙钠鸦蚓嚨木?，也能感覺(jué)出同樣的現(xiàn)象。

多普勒認(rèn)為光作為與聲波類似的一種波，也會(huì)有同樣的效應(yīng)。他覺(jué)得星星應(yīng)該是都在發(fā)同樣的白光，不過(guò)有些星可能在運(yùn)動(dòng)中。如果它們沖著我們過(guò)來(lái)，光的頻率會(huì)像號(hào)音走調(diào)一樣移向高頻，看起來(lái)就會(huì)偏藍(lán)。反之，如果星星離我們遠(yuǎn)去，它就會(huì)顯得偏紅?？上У氖撬雎粤艘粋€(gè)細(xì)節(jié)：星星的光譜與太陽(yáng)一樣是彩虹般的連續(xù)譜，其中頻率無(wú)論是往高（“藍(lán)移”）還是往低（“紅移”）移動(dòng)，整體的色彩不會(huì)有多大變化——如果黃光因?yàn)榧t移變成了橙光，原來(lái)的綠光就會(huì)同時(shí)變成黃光補(bǔ)上。

還是基爾霍夫?yàn)樾切堑纳{(diào)提供了更合理的解釋。他發(fā)現(xiàn)，只有本生燈燒出來(lái)的熾熱稀薄氣體才會(huì)出現(xiàn)分離的譜線。固體、液體甚至密度高的氣體加熱后發(fā)出的都是連續(xù)光譜。在不同溫度下，光譜會(huì)略有不同。溫度低時(shí)，紅色比較顯著；溫度高時(shí)，藍(lán)色、紫色則更醒目。

自古以來(lái)，打鐵、燒窯等需要高溫的工匠都掌握著一手絕活：看火色——看看火中的顏色就能判斷出火候，亦即溫度。這招之所以好用，基爾霍夫發(fā)現(xiàn)這是因?yàn)?/span>“火色”與火焰中的物質(zhì)無(wú)關(guān)而完全由溫度決定。他把這種熱輻射叫做“黑體輻射”（black-body radiation）。

太陽(yáng)也是這樣一個(gè)發(fā)光的物體。他根據(jù)其光譜判斷太陽(yáng)其實(shí)是一個(gè)溫度達(dá)幾千攝氏度的大火球。同樣，我們觀察到遙遠(yuǎn)的恒星呈現(xiàn)出偏紅、偏黃、偏藍(lán)的色彩也是因?yàn)樗鼈冇兄煌谋砻鏈囟取?/span>

其實(shí)多普勒最初的想法也并不完全離譜。雖然從連續(xù)的光譜的確看不出運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的頻移，但光譜中的那些細(xì)細(xì)的譜線（“指紋”）都有著確定的頻率位置，而且已經(jīng)可以確信恒星、太陽(yáng)都是由與地球上相同的元素組成。所以我們可以比較同一元素的譜線的頻率位置，看看來(lái)自恒星的譜線是不是帶有多普勒效應(yīng)帶來(lái)的紅移或藍(lán)移。

哈金斯第一個(gè)發(fā)現(xiàn)了這樣的頻移。

自從羅斯伯爵發(fā)現(xiàn)渦旋狀的星云、康德提出銀河是一個(gè)旋轉(zhuǎn)中的大盤子后，關(guān)于恒星位置不恒定、而可能是在運(yùn)動(dòng)中的這一猜想已經(jīng)不再駭人聽(tīng)聞?，F(xiàn)在，光譜線的多普勒效應(yīng)不僅能讓我們確定它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)，還能很簡(jiǎn)單、精確地計(jì)算出它們相對(duì)我們運(yùn)動(dòng)的速度。注意，這里所說(shuō)的運(yùn)動(dòng)、速度都是相對(duì)“徑向”而言，即指星星沿著我們和它的視線上的運(yùn)動(dòng)或者速度。有些星星也有“橫向”的運(yùn)動(dòng)，天文學(xué)上叫做“自行”（proper motion）。這種運(yùn)動(dòng)沒(méi)有多普勒效應(yīng)，只能通過(guò)相對(duì)于其它恒星背景的視差來(lái)判斷。

巴洛特很容易就聽(tīng)出了火車上號(hào)音的變調(diào)。但如果他同時(shí)在火車上裝置某種顏色的燈來(lái)觀察光的頻移，這個(gè)實(shí)驗(yàn)卻會(huì)失敗。因?yàn)槎嗥绽招?yīng)中的頻移大小取決于火車速度與波速之比。與光速相比，火車的速度微不足道，不可能觀察到光的多普勒效應(yīng)。

哈金斯能看到星星光譜中的多普勒效應(yīng)，說(shuō)明星星不僅在運(yùn)動(dòng)，而且速度很大，能與光速相比而不可忽略。的確，他估算出御夫星（Capella）的速度達(dá)每秒30公里，也就是光速的百分之一。（嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，如此高速運(yùn)動(dòng)的多普勒效應(yīng)需要做狹義相對(duì)論修正，但愛(ài)因斯坦還要再等11年后才出生。）

看看漫天的繁星，想象一下它們正在以非常高的速度“瘋狂”地奔波著。我們的這個(gè)宇宙怎么啦？

隨著越來(lái)越多數(shù)據(jù)的積累，天文學(xué)家很快意識(shí)到只有很少的星星或星云——比如那個(gè)讓馬里烏斯納悶的仙女星云——在朝著我們奔來(lái)。絕大多數(shù)的星星、星云卻似乎都在“義無(wú)反顧”地背離我們而去：它們的譜線全都呈現(xiàn)出不同程度的紅移。這就十分地詭異了。