第二章趣味科學發明3
夫琅和費線之謎
1814年，德國年輕望遠鏡製造家夫琅和費在製造高質量透鏡時，需要確定玻璃的折射特性，研究了大量太陽光譜。他發現在七彩斑斕的太陽光譜中有一條條暗線，共計574條，其中最突出的幾條他用A、B、C、D……H、I等9個字母來標記。後人為了紀念他的功績，把太陽光譜中的這幾百條暗線稱為“夫琅和費線”。
太陽光譜中為什麼會有夫琅和費線？夫琅和費線標誌著什麼？這成了天文學上的一個謎。
1859年，德國物理學家基爾霍夫在研究太陽光譜時，把灼燒著食鹽的火焰放在太陽光束經過的路途上，再讓太陽光束進入光譜儀。他原以為太陽光中也有食鹽發出的那種黃色光，再加上食鹽火焰發出的黃色光，在光譜儀上看到的應該是更強的黃色光，結果卻適得其反，在應該出現亮線的地方卻出現了暗線，並且，暗線的位置恰恰與太陽光譜中原有的兩條暗線D1、D2相重合。這個現象意味著，如果亮線表示發射，暗線就表示吸收。
由此，基爾霍夫想到了太陽光譜中的幾百條夫琅和費線，它應該是由太陽外層大氣中包含的多種物質的吸收所造成的。例如，既然在太陽光譜的暗線D1、D2中有鈉的黃色特征線，那麼，由此可以推斷，太陽大氣中必定含有鈉元素。
夫琅和費暗線之謎解開了。從此開創了天體物理的新紀元。在此之前，人們通過望遠鏡隻能觀察天體的外部麵貌，而無法研究天體的內在結構（例如某天體是由哪些元素構成的），因為你無法親自到這些天體上去看個究竟。有了天體光譜的研究後，天體的構成之謎就逐一解開了。目前，已對上千條太陽光譜中的暗線作了認證，在太陽上找到了67種地球上有的元素。同時，天體物理學家研究了其他的恒星光譜，大大豐富了人類對宇宙的認識。
追趕時空距離的“哈勃”
“明月幾時有，把酒問青天……”千百年來，人類遙望星空，苦苦追尋著宇宙萬物的變化規律。望遠鏡的出現，大大地開拓了人類的視野，使我們可以通過它去觀察宇宙。但是，由於在地麵，望遠鏡受到大氣層的遮擋和烏雲、迷霧、雨雪、晝夜等條件的限製，使得從地麵上觀測星雲像“從湖底去看飛鳥”，十分困難。隨著航天技術的發展，科學家決定把望遠鏡搬上天空，搬到大氣層以外去，讓它無遮無擋一覽無餘地觀測宇宙。1990年4月24日，隨著“發現”號航天飛機的又一次升空，這個偉大的設想終於實現了。從此，地球有了一個值得驕傲的“太空巨眼”。
這個“太空巨眼”叫“哈勃”，它以美國天文學家埃德溫·P·哈勃命名，以紀念這位天文學家在20世紀前半期對星係天文學和宇宙結構組成方麵所作出的傑出貢獻。“哈勃”是人類有史以來最大、最精密、結構複雜、設備先進的太空望遠鏡。它運行於距地麵613公裏高的軌道上，每973分鍾繞地球一周。它全長131米，寬47米，重約12噸，其鏡筒直徑428米，主鏡直徑24米，副鏡03米，裝有先進的成像係統、計算機處理係統、中心消光圈、主鏡消光圈、控製操縱係統、圖像發送係統以及由兩個長118米、寬23米、能提供24千瓦功率的太陽能電池板，兩部與地麵通信的拋物麵天線等。除此之外，它還附帶有寬視場行星照相機、暗弱天體照相機、暗弱天體攝譜儀，高分辨率攝譜儀、高速光度計、精密製導遙感器等8台科學儀器設備。按照設計，它將使人類觀測宇宙的視野擴大350倍，可看到宇宙中140億光年處發出的光。它能觀察到29等星，即相當於可看到500公裏以外一支蠟燭的光。它能夠單個地觀測星群中的任一顆星，能研究和確定宇宙的大小和起源，以及宇宙的年齡、距離標度，能分析河外星係，確定星係間的距離，能對行星、黑洞、類星體和太陽係進行研究，並畫出宇宙圖和太陽係內各行星的氣象圖。它能觀測的光譜範圍之廣，所提供的圖像清晰度之高以及觀測時間之長是任何一台望遠鏡所不可比擬的。美國為了研製這台世界第一號的天文望遠鏡，耗資21億美元，用了近13年時間，花費了巨大的人力財力。
那麼“哈勃”到底是什麼樣子呢？
它的工作原理是這樣的：來自太空中被觀測目標的光線首先進入主鏡，然後反射到副鏡上，再由副鏡射向主鏡的中心孔，穿過中心孔達到主鏡的焦麵上形成高質量的圖像，最後由各種科學儀器進行精密處理，把最終處理數據通過中繼衛星係統發回地麵。
然而，“哈勃”的研製及使用過程並非科學家原先設計的那樣一帆風順。中國有句老話叫“好事多磨”，用它來形容“哈勃”或許再恰當不過了，從它誕生的那一天起，便成了個“多災多難”的不幸者：這台空前巨大先進的天文觀測設備於1985年研製成功，按設計要在1986年發射，但由於“挑戰者”號航天飛機爆炸，使它上天計劃一推再推，一直到1990年4月24日才由“發現”號航天飛機發射升空。上天後，接連不斷地出現問題。首先是兩個與地麵通信的天線不按計劃轉動，地麵工程師費了很大的勁兒才通過遙控使之就位。接著，它又不斷地晃動，原因是當它從地球陰影中飛出來進入強烈的陽光下時，溫度很高的陽光打在“哈勃”那冰冷的太陽能板上時，使之產生了微弱的蠕動，從而引起整個望遠鏡緩慢晃動。科學家費了九牛二虎之力總算把問題解決了，然而新的問題又出現了：為了使“哈勃”能準確地對準觀測目標，科學家花了8年心血為它編了一個“向導星表”，但由於一位電腦控製程序員的工作疏忽而忘記更改數據，結果使“哈勃”所觀測的目標角度總比實際角度偏左。在用了很長時間，不斷地進行軟件調整使之逐步修正過來之後，一個更致命的問題讓所有科學家目瞪口呆。他們發現，“哈勃”所觀測的圖像一直有一個“模糊圈”，經過一段時間的調查，原因終於查明了：原來，在鏡片的加工過程中，一塊模板被裝偏了13毫米，把邊緣部分多磨去了0002毫米。這一誤差造成了主鏡麵幾何球形像差，使從光軸上一點發出的光不能彙聚在同一像點上。這個從1978年開始粗磨，精磨到1981年才完成，用了400萬個工時，使用了全美精度最高的模具的鏡片，卻由於操作者的失誤成了“近視眼”，並且在完成後到上天的長達8年的時間裏居然沒有人認真核查修正，實在令人遺憾。
為了修複這台“巨眼”，美國國家航空和航天局（NASA）又花費巨資，製訂了一套修整計劃。1993年12月2日，7名宇航員乘“奮進”號航天飛機騰空而去，執行太空行走維修“哈勃”的重任。5日，2名宇航員經過8小時的太空行走，成功地抓回了“哈勃”太空望遠鏡；6日，另2名宇航員又進行了第2次太空行走，用6個半小時，成功地更換了太陽能電池板；7日，宇航員在第3次太空行走中，為“哈勃”換上了新的寬視場行星相機。新相機自身具有校正像差的功能，可使圖像清晰度提高10倍；8日淩晨，2名宇航員進行了第4次太空行走，完成了這次太空修複的主要工程，給“哈勃”戴上了一付“眼鏡”——“光學太空望遠鏡偏差校正儀”（這付“眼鏡”，或許是世界上最貴的眼鏡，它耗費了2－3億美元）；9日，宇航員進行了第5次太空行走，成功地把“哈勃”送回了軌道。至此，修複工程圓滿完成。
“哈勃”在帶病出征的幾年中，為人類發回了大量珍貴的照片資料，取得了許多成果。修複後的“哈勃”是否能像科學家所希望的那樣，幫助人類解開重大的宇宙之謎，追尋宇宙起源，找到宇宙究竟是有限的還是無限的等問題的答案呢?這些還需要時間來回答。
高空中的意外發現
1901年，英國的幾位物理學家發現，在附近沒有放置放射性物質的情況下，放在實驗室裏的幾台帶電的驗電器，時間稍長自己也能夠偷偷地把電荷放掉。最初，他們以為這是儀器的絕緣出了問題，沒有在意。後來發覺，無論怎樣改善儀器的絕緣性能，也消除不了這種漏電現象。這使他們感到驚詫。為了查清驗電器漏電的原因，他們把驗電器裝在密封的鉛盒子裏屏蔽起來，以減少外界對它的影響和幹擾。但仍未能得到根本的消除。這時，他們敏銳地認識到，驗電器的漏電，一定是有某種穿透性很強的射線，穿過室內引起空氣電離造成的。此後多方麵的觀測發現，不僅僅是在實驗室內，而且靠近地麵的整個大氣層都處於微弱的電離狀態之中，這表明，引起空氣電離的射線是無所不在的。當時，對這種射線的來源有一種解釋，認為它是由散布在地殼中的微量的天然放射性元素發射出來的。這種說法對不對呢？
這個問題引起了瑞士物理學家高凱耳的深思。他想，如果這種說法正確的話，那麼，這種來自地殼內的射線的強度，就應當隨著離開地麵高度的增加而減弱，而在射線達不到的高度上，空氣就應當不再是電離的——可以設想，帶到這樣高度以上的高空中的驗電器，將會完全停止放電。為了證實這一點，1909年，他帶著驗電器親自去高空做了一次實驗，氣球在一千米的高度內升高時，高凱耳看到驗電器放電的速度逐漸減慢下來了，不過還不是預料中的完全停止了放電的那種情況。氣球繼續在上升，兩千米、三千米……氣球越升越高，可是驗電器呢？不僅一直沒有停下放電的“步伐”，放電速度反而越來越快了！
高凱耳這次實驗的結果是如此令人不解和出乎意料，致使有關這次實驗的報導，受到同行們的懷疑。為了弄清事實的真相，許多科學家決心重複高凱耳的實驗。從1911～1919年近十年的時間內，奧地利物理學家赫斯和德國物理學家科爾霍斯特等人，先後用氣球升到更高的空中進行了探測實驗。結果發現，氣球升得越高，空氣電離越厲害，比如，在5000米的高空，空氣的電離量比地麵大兩倍，而在9200米的高空，空氣的電離量竟比地麵大十倍！