夫朗和斐：隱藏在陽光裡的量子秘密

量子英雄傳說第一季第一集

量子無所不在，但是一開始，人類對此一無所知，直到他開始凝視太陽...........

自古以來，太陽就被視為地球上各類生命賴以為生的能量來源。在許多古文明中，太陽甚至成為神祇，受到眾人的膜拜。但是人類真正開始分析太陽光，卻要等到牛頓在1666 年所做的三稜鏡實驗。他讓一束太陽光，經過一塊三角形玻璃稜鏡折射後，在牆上分布成紅﹑橙﹑黃﹑綠﹑藍﹑靛﹑紫等七色的彩色光帶。但是藏在太陽光的奧秘，就算是牛頓，也還沒有完全參透。

一百多年後，英國的化學家伍拉斯頓 (W. H. Wollaston 1766-1828) 在1802 年偶然地檢視了太陽光譜。他注意到，看起來連續的彩色光帶中，夾雜著不少的垂直暗線，可惜的是，伍拉斯頓並沒有繼續深入研究這個現象，隱藏在太陽光裡的量子奧秘，就這樣從他的眼皮下溜走。直到十二年後，德國光學家夫朗和斐 (Joseph von Fraunhofer 1787-1826) 在利用三稜鏡分析太陽光的光譜時，人類才第一次與量子的奧秘正面相視！

夫朗和斐不僅看到了伍拉斯頓所觀察到的暗線，他更進一步，仔細地數算他所能辨識的暗線，數完之後，居然一共有 574 條之多！夫朗和斐把它們一一標記下來。其中最主要的幾條，更依其明顯程度，依次標以英文字母 A﹑B﹑C﹑...G 的代號。而比較細或是不明顯的暗線，則用小寫的字母來標記。後世把這些暗線稱為「夫朗和斐線」。這些線或區域（從紅色到紫色：A、a、B、C、D、E、b、F、G、H 和 I）正是夫朗和斐本人所命名的。 夫朗和斐在位置和強度方面，力求精確，雖然他完全不知道，這些暗線是怎麼一回事! 夫朗和斐將這些結果寄到慕尼黑皇家科學院備忘錄（Memoirs of the Royal Academy of Sciences in Munich）。增修之後，刊登在1817年的物理年鑑（Annalen der Physik）。

 https://en.wikipedia.org/wiki/Fraunhofer_lines#/media/File:Fraunhofer_lines.svg

夫朗和斐在1821年發明了繞射光柵，由於它的色散作用比稜鏡大得多，各種色光可以分散得極為均勻，所以繞射光柵可以直接測得暗線對應的波長。夫朗和斐用他發明的繞射光柵，製作各種光源的光譜，他測量了特別清晰可見的夫朗和斐線 C 到 H 的波長，精確到了小數點下三位!這些暗線，現在被稱為「夫朗和斐線」。

夫朗和斐雖然對這些暗線背後的秘密毫無頭緒，但是他還是極盡所能地想法子，確定譜線的來源來自太陽。他大費周章地將太陽光譜中發現的譜線與月球和金星的光譜、天狼星等一些明亮的恆星的光譜以及火花感應器產生的電火花以及油、酒精和氫火焰的光譜進行了比較。 他發現在月球和金星光譜中也出現了類似的譜線，因為這些光其實也是太陽光，只是被月球或金星反射而已。但是天狼星的光譜中的暗線卻與太陽光譜完全不同!而電火花，酒精等的火焰產生的光譜就差更多了。夫朗和斐最初使用直徑不到 30 毫米的小型望遠鏡進行了這些實驗，後來使用更大的、特製的 4 英寸（100 毫米）直徑折射鏡和相同尺寸的稜鏡光譜儀，重複並擴展了這些實驗。特別是，他注意到觀測到的恆星（例如天狼星、參宿四、南河四）的光譜，彼此之間也存在很大差異。所以他知道這些暗線不可能是儀器因素所造成的效應，而是的的確確來自遙遠的星光!今天的光譜技術可以看到太陽光譜中約兩萬五千條的暗線呢。

夫朗和斐的人生，當然不只是發現太陽光譜而已。事實上，他的人生堪稱比戲劇還戲劇化。他出生貧寒，11歲成為孤兒，在慕尼黑的一家玻璃作坊當學徒。1801年，這家玻璃作坊的房子居然崩塌了，但是夫朗和斐卻奇蹟式的獲救。當時的巴伐利亞選帝侯，馬克西米利安一世(Maximilian I，1756－1825）當時就在現場。看到這個小孩浩劫餘生，選侯當下就賞了他十八個金馬克! 夫朗和斐拿著這筆鉅款，不但買了新機具，還付清了賣身契。更幸運的是，曾在搜救現場的高官，約瑟夫·馮·烏茨施耐德(Joseph von Utzschneider )幫他付學費，還讓他進入以製作天文儀器著名的機構工作。1807年他加入著名的貝內迪克特博依恩修道院的光學學院。夫朗和斐力爭上游，1811年成為管理階層。到了1818年，夫朗和斐已經成為光學學院的主管。由於夫朗和斐的努力，巴伐利亞取代英國成為當時光學儀器的製作中心。

夫朗和斐為他的公司生產了各式各樣的光學儀器。 這包括著名天文學家斯特魯維( Struve Vasily Yakovlevich Struve)使用的觀測儀器（1824 年交付給 Dorpat 天文台）和貝塞爾 (Friedrich Wilhelm Bessel) 要求的口徑15.7公分太陽儀（夫朗和斐死後才交付）。貝塞爾就是用這台太陽儀發現了恆星視差。恆星視差是觀測恆星時因季節不同而有的微小效應，成因是來自於地球公轉時移動位置。這個效應非常微小，讓古代天文學家誤以為地球是宇宙中心，經過數百年努力，才終於被量到，這完全是因為磨鏡片技術進步帶來的結果。

恆星視差示意圖

https://zh.m.wikipedia.org/zh-tw/%E6%81%86%E6%98%9F%E8%A6%96%E5%B7%AE#/media/File%3AParallaxeV2.png

1824年，夫朗和斐被授予藍馬克斯勳章，成為貴族和慕尼黑榮譽市民。不幸，因為長期從事玻璃製作而導致的重金屬中毒，夫朗和斐在1826年，年僅39歲便與世長辭。 但是他的公司依然活躍，他的助手兼繼任者麥次(Georg Merz)為新柏林天文台製造了一架望遠鏡，該望遠鏡證實了第八顆行星海王星的存在。這個公司幾番沉浮，一直到1903年才關門。

雖然夫朗和斐一直到死都不知道太陽光裡那些暗線背後，到底藏了什麼驚天動地的秘密。但是我們今天知道這些暗譜線正是量子理論的開端。但是要等上漫長的四十多年。四十多年後，德國的古斯塔夫·克希荷夫和羅伯特·本生確認了每一條譜線對應特定的化學元素，並且推論在太陽光譜中的暗線是由在太陽上層的那些元素吸收造成的。

這些暗線之中，對後來物理發展來說，最重要的首推夫朗和斐線中的C線(656.281 nm)、F線(486.134 nm)、G' 線(434.047 nm)和 h 線(410.175 nm) ，分別對應於氫原子光譜中的巴爾末爾(Balmer) 系列中的 α、β、γ 和 δ 線。這四條暗線的重要性無以復加，在我們系列的後面文章，我們還會詳述它們。(1nm就是一奈米，也就是指1米的十億分之一，可見光的波長一般是落在360 - 400 nm到760 - 830nm 之間。)此外，D1 線(589.592 nm)和 D2 線(588.995 nm) 形成眾所周知的“鈉雙峰”，其中心波長 (589.29 nm) 被指定為字母“D”。夫朗和斐 H 線( 396.847 nm)和 K 線 (393.366 nm)仍然用於光譜中紫色部分的鈣-II 雙峰，這在天文光譜學中扮演極為吃重的角色，遠方星球的光譜中不僅可以拿來告訴我們有關它們的化學組成，甚至決定它的表面溫度。夫朗和斐無意中開拓了天文光譜學的沃土，光譜分析是化學和天文學中最重要的工具之一，這是他想都沒想到的吧。

某些暗線因為波長接近，例如，d 線可以指 466.814 nm 處的青色鐵線，或者可以指代 587.5618 nm 處的黃色氦線（也標記為 D3）。 赫赫有名的D3線則是與氦有關!我們在後面的「量子英雄傳說」還會再提到。關於 e 線也存在歧義，因為它可以指鐵 (Fe) 和汞 (Hg) 的譜線。 為了解決使用中出現的歧義，模糊的夫朗和斐線的名稱前面加上它們相關的元素（例如，水銀 e 線和氦 d 線）。太陽光譜裡頭，簡直像是一個大寶藏一樣，但是要挖出這些寶藏，可花了科學家，超過一世紀的努力。這些相關的故事，咱們量子英雄傳說都將一一說明，還請大家稍待片刻，繼續接看我們的連載，咱們下回見！