• **Joseph 弗朗和费 Biography: The Father of Modern Astronomy [CC[2]

一、前言

  当我们想到天文学时，往往会想到这样的情形，一个人用望远镜研究星星的位置，但从 1800 年代中期到 1900 年代中期， 天文学家研究星星的样子看起来发生了很大的变化， 通过研究不同的星空图像数据。   恒星的光谱图片使用望远镜对观察的星光通过衍射光栅或棱镜进行拍摄。 当然，现在天文学家则使用计算机而不是照片，  对于来自遥远太空中的可见光或不可见光，  按照频率进行分解形成光谱，  这种研究方式称为光谱学，是天文学的支柱。  但这种技术与玻璃制造商而非天文学家 约瑟夫·弗朗和费 有什么关系？  玻璃制造商人是如何发现光谱学和衍射光栅的？ 对于这背后的离奇的故事， 让我们听 Kathy 老师娓娓道来吧。

▲ 图1.1.1 约瑟夫·冯·弗朗和费

二、幸运的事故

  事情还需要从 1801 年 7 月 21 日星期二说起， 地点位于巴伐利亚州的慕尼黑。之所以选择那个重要的日子， 是因为当天发生了一件建筑物倒塌事件， 当时的约瑟夫·弗朗和费才 14 岁，他和他老板的妻子被埋在倒塌的建筑物中好几个小时。 你可能认为这对年轻的约瑟夫来说是一件可怕的事情，的确被埋在倒塌的房子下面不仅危险而且非常痛苦。  但大难不死必有后福， 最终这场灾难却成为改变他一生的转折点， 后来他的生活变得顺风顺水起来。

▲ 图1.2.1 约瑟夫·弗朗和费

  在遇到那次灾难之前，他一直生活在极度贫困当中。 他出生在巴伐利亚 施特劳宾小镇一个贫困的玻璃商人家庭， 父母整日劳作， 辛辛苦苦抚养着 11 个小孩子， 他是其中最小的一个。 他的七个哥哥姐姐在童年时就死于贫困、疾病和危险的工作条件。 对他来说更加不幸的是，他的母亲在他 10 岁时就去世了，他的父亲也在第二年去世， 可能是被玻璃制品产生的有毒烟雾损害了身体。  作为孤儿他几乎是孤身一人，为了活下去， 他与远在慕尼黑的一位玻璃制造商签订了六年劳作契约， 这位商人名叫菲利普·魏切尔斯伯格， 他专门从事装饰玻璃生产。

▲ 图1.2.2 装饰玻璃制造商

  在他父母去世之前，弗朗和费很少上学，因为他需要帮助父亲干一些玻璃制造的活计。 当他父母去世后，别说上学了，生活也变得非常艰难。 当时有一所假期学校会在星期天和深夜 教工人读书和写字。 但是他的新老板 Weichelsberger 不让弗朗和费去学习文化。 当他长大到 14 岁时，约瑟夫·弗朗和费还几乎无法阅读。 

  正如开始提到的，1801 年他所在的建筑物倒塌，他和老板的妻子被活埋。 很快一大群志愿者前来营救， 包括巴伐利亚王子也定期来鼓励营救人员坚持挖掘抢救生命。 你知道当时慕尼黑还是一个非常小的城镇，人口只有 40000左右。 经过四个小时的挖掘， 他们发现年轻的弗朗和费 神奇的被一根横梁救了下来，而他老板老婆没有得到及时抢救不幸遇难了。  弗朗和费的逃脱一死成了轰动全城的话题， 王子认为这个孩子是上天赐予的礼物，亲自给了这个小男孩捐赠了钱， 并请他的枢密顾问约瑟夫·乌茨施奈德从那时起照顾他。

▲ 图1.2.3 弗朗和费被营救后得到了巴伐利亚王子的资助

  弗朗和费 使用这笔钱摆脱了他的契约并开始雕刻业务，但不到六个月后就破产了。 不久，可怜的 弗朗和费 发现自己又回到了 原来老版那里 工作， 处境更加痛苦。 

  与此同时，1804年，枢密院议员乌茨施奈德离开政坛，与朋友一起创办了一家机械研究所， 1806年，乌茨施奈德怜悯弗朗和费，聘请他担任研究所助理，他的为人给大家留下了深刻印象。  大约在同一时间，乌茨施奈德 聘请了一位名叫 Pierre Guinand 的玻璃制造商为他们的望远镜制造高质量的镜片。 一年之内，Guinand 要求大幅加薪，乌茨施奈德 同意了，但规定 Guinand 必须将他所有的秘密传授给20 岁的弗朗和费， 但他们伙伴关系并没有持续多久。 猜测 弗朗和费 和 Guinand 脾气合不来。 到 1809 年，乌茨施奈德 决定他的弗朗和费是更优秀的玻璃制造专家， 并付钱让 Guinand 离开，不再制造玻璃， 并提拔年仅 22 岁的 弗朗和费 担任玻璃厂的主管和光学研究所的初始合伙人， 这些合伙人包括 乌茨施奈德、Reichenbach 和 弗朗和费。 到 1811 年，弗朗和费拥有 48 名员工，到 1820 年，他被任命为研究所所长。

▲ 图1.2.4 弗朗和费开始光学研究所的工作

三、阳光中的暗线

  在此期间，弗朗和费一直在寻找提高玻璃质量和精度的方法。 这就是为什么在 1814 年左右，27 岁的弗朗和费开始寻找一种方法来产生单一颜色，这样他就可以精确地研究各种颜色光线穿过玻璃时折射或弯曲的程度， 或者正如他所说，“测量不同的玻璃对于不同颜色的色散系数将会对制作镜片非常有利， 由于不同颜色之间没有明显差异， 所以只依靠彩色图像来测试无法精确获得数据。” 

  弗朗和费通过棱镜观察灯时注意到灯上有一个明亮的黄红色斑点，并决定看看阳光是否以相同方式折射出相同明亮标记。 因此，他通过窗户上一个小的缝隙引入阳光光束， 然后通过一个棱镜照射在屏幕上。 然而，他看到的不是黄红色的亮点，而是暗的条纹。 

▲ 图1.3.1 弗朗和费观察阳光谱线

  震惊的是，他通过望远镜观察光线， 正如他所说，“我用望远镜看到了几乎无数条强弱不同的垂直线。”  现在，弗朗和费并不是第一个在阳光下看到阴影的人。 12 年前的 1802 年，英国科学家威廉·海德·沃拉斯顿 花了很长时间，用棱镜测定不同材料的折射率。  在这篇论文中，沃拉斯顿 在阳光下注意到了 5 条暗线和 2 条淡线，但他只认为它们是区分红、黄、绿、蓝、紫四种颜色的条带。 然而，与沃拉斯顿不同的是， 弗朗和费在他的望远镜的帮助下意识到线条与颜色无关，“最强的线条无论如何都不会标记各种颜色的边界。存在一些线条， 它们两侧是几乎相同的颜色，并且无法察觉到从一种颜色到另一种颜色的过渡。”

▲ 图1.3.2 阳光光谱中的暗线

  弗朗和费 用大写字母标记较粗的线，并在一张图表中详详细细的记录了 540 多条线。 他对这些暗线的命名至今仍在使用。 弗朗和费 想知道这些暗线是否是阳光中固有的，或者是否受到一些实验的方法的影响，例如开口的形状或大小。  因此，经过几次实验后，他萌生了观察金星光谱的想法，因为他可以不让光通过一个缝隙的情况下检查金星光谱。  然后他发现，“这些线条与阳光下出现的线条相同”，但需要注意的是，由于金星亮度低，有些线条很难看清。 

  然后他转动望远镜研究一些星星，惊讶地发现它们并不完全相同。  例如，天狼星有“三个似乎与太阳光没有关系的宽带暗线”，而各种恒星“似乎彼此不同”。因此，这些暗带似乎与阳光或星光本身有关，因此可以传递一些关于太阳或星星的信息， 或者正如他所说，“确信这些线条和暗线产生于阳光本身， 与观察手段无关。” 

  然后他回再次用棱镜和望远镜观察灯光光谱， 发现光谱中存在红黄色亮线， 这条亮线实际上是由两条非常细的亮线组成，它们在强度和距离上与阳光中两条暗线一样， 这两条暗线他记录为 D。 弗朗和费当时 不知道他的灯发出的亮线来自燃烧的钠，而阳光下的暗线来自太阳大气中吸收相同频率的钠元素。

▲ 图1.3.3 发现了阳光中对应两条暗线

四、光的衍射

  担任研究所所长的弗朗和费非常忙，直到 1823 年， 这期间的7 年中 没有再发表任何重要的东西。 当他用细光束进行实验时， 他注意到在添加棱镜之前，光束在图像屏幕有彩色边缘。 弗朗和费对边缘的彩色光很感兴趣，因为这让他想起了棱镜可以发出的彩虹光，并决定进一步研究。  因此，他让光线穿过一个小缝隙，他可以用螺丝改变这个缝隙宽窄， 然后用望远镜在屏幕上观察结果。 他发现在强度逐渐减弱的中心光束的一侧有许多暗淡的彩虹。  他还发现这个迷你彩虹的位置， 等于一个常数除以缝隙宽度。  顺便说一句，正是他的这个发现，使得现如今将单缝衍射被称为夫琅和费单缝衍射。

▲ 图1.4.1 弗朗和费单缝衍射

  由于单个狭缝衍射光线非常暗淡， 弗朗和费对观察这些暗淡的光谱感到非常恼火。 这是因为光线通过一个小缝隙时， 强度变弱，形成的图像非常暗淡。 因此，他萌生了使用多个排成一排的狭缝的想法， 实际上这些并排的狭缝形成了一个光栅。  然后，他对如何制作光栅有了巧妙的想法。 他使用一条粗的金属线， 在两个螺丝之间来回缠绕。 螺丝间距仅比电线略宽。 通过这种方法， 他最终得到了 260 根 20 毫英寸厚， 且相距仅 3.8 毫英寸的平行线。 当他进行实验时，他发现了一个全新的结果，而不仅仅是一个更亮的狭缝图像， 他写道：“我惊讶地观察到使用光栅进行衍射时， 在望远镜看到的现象与单个开口衍射图像完全不同。”   他发现第一个峰看起来“与通过优质棱镜看到的光谱完全一样”， 甚至用他的光栅重新观察到了他的夫琅和费线。

五、后记

  约瑟夫·弗朗和费 后来被任命为皇家教授， 并于 1824 年被封为爵士。 不幸的是，在他发表关于光栅的著作不到三年后，他因使用含有重金属的玻璃而感到不适，  这也是杀死他父亲并在他年幼时去世的原因。在39岁他去世了。  在他的葬礼上， 他的前任导师 Joseph 乌茨施奈德 为其添加了墓志铭 “Approximativit Sidera”，大致翻译为“他让星星更近了”。

▲ 图1.5.1 他让星星距离我们更近

  乌茨施奈德所提的墓志铭的含义是弗朗和费使用他无与伦比的玻璃制品和令人惊叹的望远镜， 拉近了我们与星星的距离。 现在你可以使用金钱在网络上购买这些物品。  但事实证明，他在阳光光谱中发现的那些暗线， 以及他的灯发出的明亮灯光， 由此所观察到的结果才真正将星星带到我们的实验室中， 因为通过这些手段可以解决“星星是由什么组成的”这个古老谜团。那么如何通过星星光谱来推断星星是由什么组成的呢？ 这其中的故事我们下回再聊。

▲ 图1.5.2 弗朗和费

参考资料

[1]Kathy老师讲述的有趣科学历史: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/128637281

[2]**Joseph 弗朗和费 Biography: The Father of Modern Astronomy [CC: https://www.youtube.com/watch?v=d0cjG1UdqKo