能讓宇宙學原理站穩腳跟的光譜分析到底是什麼？
光線怎麼分析
著者：
黃媂
著述：
餘生
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單單依靠
宇宙學原理
支撐起整個天文學是不可能的，因為不僅要有宇宙學原理的假設，還要有光譜分析作為驗證宇宙學原理的方法以及把距離測量作為促進器，三者共同結合在一起才可以有力地支撐起整個天文學。
光譜分析
——是驗證宇宙學原理的方法，同時也是天文學家的“千里眼”，假如缺少光譜分析的資料和資訊，從某種意義上說宇宙學原理只能算是一種信念。
距離測量
——宇宙學原理的促進器，距離測量到哪宇宙學原理才能應用到哪，假如缺少距離測量的資料和資訊，那麼宇宙學所研究的只是過時的內容，關於最新的宇宙資訊根本無從瞭解。
圖解：光譜分析原理
驗證宇宙學原理的方法——光譜分析
望遠鏡是天文學的重要觀察手段，有了望遠鏡我們才可以看到、聆聽、探測到更遙遠的地方。玩過望遠鏡的人應該都知道，望遠鏡可以觀察到更遠的東西，在天文學被稱為“千里眼”的光譜分析可以忽略距離的限制直接觀察到各種宇宙天體上組成部分的化學元素，有了這個實用的觀察工具就能驗證宇宙學原理在元素層面上的理論。
光譜分析
剛開始只是應用在化學領域上的，雖然顯微鏡能夠觀看到一些比較微小的東西，但是顯微鏡所能看到的東西也會有上限的，比如尺度比細菌、病毒更小的東西，顯微鏡就不能夠看到了。再比如如果要區分出不同的元素這時顯微鏡就不起作用了，但是這並不影響我們深入瞭解到元素層面，因為透過光譜就可以把元素分析出來，當中的原理也很簡單，
光譜分析的本質就是區分出不同的元素所發出的光的顏色是不一樣的。
圖解：透過光譜可以把元素分析出來
舉例說明：
煙花
之所以會有五彩繽紛的顏色全是因為火藥裡混合了不同的元素，綠色代表的是銅元素，黃色代表的是鈉元素，白色代表的是鎂、鋁元素，紅色代表的是鍶、鋰
元素
。
上面列舉的例子是我們日常生活中最常見的，如果多種元素混在一起的時候，我們僅憑肉眼是無法把顏色分辨出來的，但是把
煙花
所發出的光穿過三稜鏡就會發生折射然後把顏色分散開，
艾薩克·牛頓
是第一個採用讓陽光穿透三稜鏡的方法把各種顏色井井有條地排列出來的人，而這種排列和彩虹顏色的排列是一模一樣的，三稜鏡折射出來的光譜從紅色
、橙色、黃色、綠色、藍色、靛色、紫色
分層地排列著。除了以上所說的7種顏色光線以外，其實還有我們肉眼看不見的光線，比如紅外線和紫外線。
顏色的本質——就是光的頻率
所謂的
光譜
就是不同頻率的光按照從高到低的排列順序，採用這樣的方式看到的氫元素的光譜不是連續的，並且有光的頻率只是佔據了很窄的一段，如果不細心的人一眼看上去就會認為它的光譜是黑色的。
事實上不只是氫元素是這樣的，任何一種元素的光譜都是這樣的，它們都是由一組不連續頻率的光組合而成，而且每種元素的光譜都不一樣，因此
光譜
就相當於是元素特有的指紋。分析出光線有多少種光譜就可以知道有多少種元素包含在光線裡面。
更值得一提的是透過光譜不但分析出發光物體的元素，不發光物體的元素也能被分析出來，因為所有元素都是會吸收光的，所以發射出什麼元素的光就代表了它們吸收了什麼元素的光，因此只需要觀察它們吸收的光頻率就能夠把元素的種類分析出來。
有了光譜分析就可以驗證宇宙學原理
除了離地球最近的恆星太陽以外，
半人馬座α·比鄰星
距離地球有
4。24
光年遠，
因為宇宙的恆星距離地球都是天文數字，即便是採用天文望遠鏡都很難把遙遠的恆星資訊分析出來，但是透過
光譜分析
哪怕是一個微乎其微的小亮點都可以透過三稜鏡看到恆星所發出的光從而分析出它們的光譜，正如上述所說的那樣，分析出了恆星光譜就相當於知道了恆星是由什麼元素構成的，這就相當於忽略距離的限制直接突破了上億光年尺度得到了原子級別的資訊。
當三稜鏡漸漸退出天文學的舞臺，取而代之的光譜儀
自從光譜儀被天文學家廣泛使用之後，光譜儀給了宇宙學帶來了一個從元素級別驗證宇宙學原理的機會，研究物件——太陽。
太陽雖然是距離地球最近的恆星，但是太陽與地球是兩種類別的星球，太陽是屬於恆星，而地球屬於行星，正是因為它們是兩種類別的星球的原因讓很多人對此抱有懷疑的態度——
恆星太陽和行星地球上的規律會一樣嗎？
當然會！
法國天文學家
皮埃爾·讓森
在
1868年的時候透過對日食的觀測從而分析出了大氣層的光譜，
皮埃爾·讓森
驚奇地發現了一種新的譜線，這意味著在太陽上擁有一種地球上根本不存在的元素，如果深入地去探索這個問題就會發現，既然
太陽上擁有的基本元素和
地球上擁有的基本元素都一樣，那麼說明了宇宙中的每一個角落都會有更多的不同之處。
既然太陽和地球擁有不同的元素，那麼宇宙學原理還能站穩腳跟嗎？
能！
因為太陽和地球擁有不同的元素不但沒有讓宇宙學原理失效，反而還成為了宇宙學原理最直接的有力證據，因為在太陽上所發現的新元素，科學家透過不斷地努力最終在地球上也發現了，但是這種元素在地球上存在的含量非常少，這種元素就是——
氦元素
。因此太陽與地球相比起來看似有很多不同之處，其實在元素的層面上二者的本質大致是相同的，不同的只是各種元素的含量罷了。
當然驗證
恆星和行星上的規律
並沒有只停留在太陽上，宇宙中存在的恆星數不勝數，太陽只不過是宇宙中眾多恆星中的一粒塵埃，並且宇宙裡的恆星它們的光譜也會存在差異，無論是距離、體積或者亮度都差不多的恆星，這些恆星的光譜都是極其相似的，這就說明了宇宙學原理依然是成立的。宇宙學原理不僅可以應用在恆星的層面上，同樣也可以應用在行星上，比如透過分析太陽系內的行星光譜以及太陽系外的行星光譜甚至遠至幾百光年外的行星光譜，這是空間層面上驗證宇宙學原理同樣是有效的。
光譜在歷史層面上依然可以為宇宙學原理提供證據，現在的宇宙與過去的宇宙相比就會發現宇宙現在與過去的本質並沒有什麼不同。
因為目前研究的都是宇宙的歷史，由於光傳播的速度是有限的大約
299792458米/秒
，因此我們看到恆星發出的光，其實都是恆星在過去時發出來的光，所以距離我們越遠的恆星發出的光直到現在被我們探測到，這就說明了這是年代更久遠的恆星。
舉例說明：
半人馬座α·比鄰星
是距離地球最近的恆星，與地球相距4。24光年，也就是說
半人馬座α·比鄰星
發出的光以
299792458米/秒的速度
需要4。24年才能到達地球，因此4。24年之後我們看到的光只是
半人馬座α·比鄰星
在4。24年前發出的，當你觀看
半人馬座α·比鄰星
時看到的只是它4。24年前的模樣。
因此，恆星距離地球越遠，我們能夠看到的歷史也就越久遠，所以對於距離非常遙遠的天體一旦採用了光譜分析之後得出的資料與我們常用的觀測資料沒有本質差異的話，那麼就可以得出一個結論——
宇宙學原理
在時間的層面上被驗證了。
圖解：半人馬座α·比鄰星位置
錯誤的認知
上述採用光譜分析恆星發出的光來驗證宇宙學原理當然是成立，但是這裡還需要特別說明的是假如把整片天空中的發光天體都採用光譜分析來驗證宇宙學原理這並不代表是從遠到近、從古到今都被驗證了，因為光的譜線會移動從而發生形變。
在天文學家正確認識到
紅移現象
之前，差點錯把觀測到的特別天體發出的光編進了元素週期表，原因是由於當時有一種天體發出的光的光譜與當時所有已知的元素光譜都不同，天文學家當時差點就以為這種元素是元素週期表裡的新元素，幸虧他們並沒有這樣做，因為科學是需要嚴謹的，後來經過天文學家不懈的努力終於把光譜的本質一一陳列了出來——當光譜的波長被拉長了之後，光譜會發生的形變，導致光譜的位置向紅的一端移動，這就是術語上所說的
譜線紅移現象
。
舉例說明：
1。假如某一種元素的光譜原初它的
紫光
波長較短，紫光經過拉長之後演變成為了波長較長的紅光。
2。假如某一種元素的光譜原初它的
紅光
波長較長，紅光經過拉長之後演變成為了波長更長的紅外線。
綜合上面2個例子，經過拉長之後的光譜波長，它的位置就會整體向紅色的一端移動，這就是所謂的譜線紅移現象。
圖解：譜線紅移現象
天體為什麼會發生譜線紅移現象呢？天體發出的光的波長為什麼會被拉長呢？
基於以上的2個問題可以用一個答案來概括——
宇宙在膨脹
。
或許你對
宇宙在膨脹
這個詞會感到有疑問，這裡你只要把這個它想像成一個帶有“花點的氣球”，氣球就好比是宇宙，花點就好比是宇宙間的每一個星光，當氣球越來越大的時候，宇宙間的每一個星光都會彼此離對方越來越遠，如果某個星系的一道光在100億年前的某個位置向地球進發，在100億年的時間段裡光一直向著地球進發、宇宙也一直不斷在膨脹，因此向著地球進發的光也隨著宇宙一起在膨脹發生了
紅移現象
，本來光以
299792458米/秒的速度可以在100億年內到達地球，但是光線被
膨脹拉長了，所以到達地球的時間是一個未知數。
圖解：宇宙在膨脹氣球模型
透過測量光線紅移的程度，也就是波長被拉長的程度就可以計算出光線發射出來的時間以及光源相距我們的距離，因此分析光線的光譜是一種非常奏效的測量距離的手段。
紅移現象可以告訴我們更多有關宇宙的引數
紅移現象
最顯著的特點之一就是它能夠告訴我們宇宙的年齡以及宇宙誕生之初那次大爆炸所發出的光線殘存的能量輻射：
根據COBE衛星1992年的探測資料、WMAP衛星2003年的探測資料以及PLANCK衛星2013年的探測資料顯示，宇宙誕生之初那次大爆炸所發出的光線的能量輻射遍佈宇宙的每一個角落，天文學家將其稱作為——宇宙微波背景輻射。
根據目前的資料計算，宇宙的年齡是大約是138±1億年，同時也說明了宇宙膨脹的時間也是138±1億年，經過了這麼長時間的膨脹光線的紅移也就非常大了，此時光線的波長只有1毫米左右，但是這個數值比宇宙誕生之初大爆炸時所發出的光線的波長已經增加了1000多倍了。
並且透過巡天測量得到的微波背景輻射還為我們揭示了宇宙誕生之初時宇宙每一個角落的溫度幾乎都是相等的，當中的誤差最多不會超過1/10萬，這表明了宇宙微波背景輻射又為宇宙學原理賦予了有力的證據，光譜測量這個觀察手段使得宇宙學原理不再是一個憑空想象出來的信念，而是在元素層面上得到了科學有效的驗證。
餘生·總結——光譜分析
1。光譜分析是天文學家的“千里眼”，能讓天文學家忽視上億光年的距離從而得知遙遠的天體是由何種元素共同組成。
2。透過對恆星和其他天體的光譜分析，可以從元素層面上驗證宇宙學原理。
3。透過光譜分析得知宇宙中存在的元素基本都是類似的，相對距離遙遠的天體要把紅移這個因素去除才能知道天體的元素構成。
4。光譜分析是一種非常有效的測量距離的方法。
作品回顧
論「宇宙學第一性原理」與天文學發展的重要性
既然兩顆星球的條件如此相似，為什麼生命不能同時誕生
一篇文章讓你完全讀懂「地球為什麼會永遠轉動」
創作有關（天體生物學領域。太空生物學領域。科學。科技。科研。科普）的文章，歡迎點贊。評論。轉發。關注互相學習。
