登陆注册
2671000000011

第11章 开天辟地近代化学的奠基人波义耳(11)

19世纪中叶以后,人们已不再局限于测定、研究天体的视位置和视运动(天体测量学),也不再局限于研究天体的力学运动(天体力学)了,而是发展到研究天体的形态、结构、化学组成、物理状态和演化规律,这便是天文学中的一个新分支——天体物理学。进入20世纪以后,天体物理学从襁褓时期进入蓬勃发展的时期,逐渐成为天文学中占主导地位的分支。在这一过程中,美国天文学家海尔成为举足轻重的人物,被誉为20世纪天体物理学的开拓者。

太阳单色光照相仪的发明

1868年6月29日,海尔出生于美国伊利诺伊州芝加哥,他的全名是乔治·埃勒里·海尔。其父是电梯制造商,产品远销美国各地甚至欧洲,并因此而致富。这位富商具有精湛的工艺,并十分爱好科学。海尔的母亲则十分爱好文学和诗歌。幼年的海尔深受双亲的熏陶,他既喜欢自己动手进行各种小实验,又喜欢博览群书。少年时期,海尔曾就读于奥尔兰公学,毕业后考入艾伦学院。1886年,18岁的海尔考入马萨诸塞州理工学院,主修物理学,同时他努力自学天文学,还自愿到哈佛大学天文台充当业余天文观测手。在这过程中,他对天文学的兴趣与日俱增,决心为之贡献出毕生的精力。

1890年,海尔毕业于马萨诸塞理工学院。毕业后不久,他便与康克林小姐结了婚,在蜜月旅行中他们访问了利克天文台。返回芝加哥之后,他得到父亲的资助,在自己住宅的顶层建起了一座私人天文台——肯伍德天文台。在这所天文台中有他自己动手设计建造的太阳光谱仪。

在肯伍德天文台,海尔还作出了他一生中的第一个重要发明。早在马萨诸塞州理工学院求学期间,他就开始考虑怎样用单色光来拍摄天体的照片,这对于恒星来说很难行得通:因为一方面恒星太暗弱,若将星光展成光谱后,仅仅截取该光谱中某波长附近的单色光很难拍到成功的恒星单色光照片;另一方面恒星是一个点光源,使用望远镜也无法显示出它的视圆面,因此即使获得了它的单色光照片也无法显示出它的表面细节。但对太阳而言,情况就完全不同了。太阳发出的光很强,即使使用某波长附近的单色光就足以使底片很快感光,况且太阳又是一个延伸天体。海尔想到若获得了太阳某种单色光的照片,也许可以取得许多太阳白光照片所无法显示出的新信息。

经过数年的深思,海尔终于在1891年发明了一种依靠太阳像和底片同步扫描来获得太阳单色像的装置——太阳单色光照相仪。

海尔所发明的太阳单色光照相仪在此后近四十年中成为对太阳进行观测研究的重要武器。太阳白光照相只能把太阳光球上黑子等现象拍摄下来,但对太阳光球上的色球层中的太阳活动现象却无能为力。然而使用太阳单色光照相仪却可获得Hα(氢的第一条巴耳末线,其波长为6563埃,1埃=10-8厘米)等谱线处的太阳单色光照片,由于该波长处的辐射主要是由太阳色球层发出的,所以这种太阳单色光照片实际上是太阳色球层的像。在这种照片上,太阳耀斑(太阳色球上层的剧烈爆发)、日珥(突出于太阳边缘的抛射物)等现象清晰可见。直到20世纪30年代,法国天文学家李奥将他发明的偏振干涉滤光器装在望远镜终端,构成了专用于观测太阳色球的色球望远镜,它能更直接、更迅速地获得太阳的单色像,海尔的太阳单色光照相仪才逐渐退出历史舞台。

筹建叶凯士天文台

1892年,海尔受聘任芝加哥大学天体物理学副教授。他很想为该校建立一座拥有举世瞩目大望远镜的天文台。在这之前,他与夫人蜜月旅行时曾见过利克天文台的口径91厘米的折射望远镜,它是美国光学家克拉克父子在1888年完成的杰作。这架当时世界上最大的折射望远镜给海尔留下了极深刻的印象。

利克天文台这架口径91厘米的折射望远镜落成前几个月,老克拉克不幸谢世,小克拉克决心继承父亲的遗志,研制口径更大的折射望远镜。不久,南加利福尼亚大学提出了一个雄心勃勃的计划,他们想请小克拉克研制一台口径102厘米的折射望远镜。但当小克拉克为此计划买来了磨制消色差物镜的冕牌玻璃和火石玻璃两种镜坯之后,这所大学因无法筹齐研制望远镜的经费而使该计划搁浅。海尔得悉这件事后,决心出面扭转这一尴尬局面,他瞄准了一位猎取对象——芝加哥首屈一指的巨富金融家叶凯士,他以高超的技巧一次次向后者游说,使后者一再增加捐款,最后后者发现自己已为该望远镜以及安装它的天文台投入了349000美元。

有了这笔巨款,海尔一面代表芝加哥大学向小克拉克订购口径102厘米的折射望远镜,一面又为安装此望远镜选择合适的天文台台址。小克拉克全力以赴地开始了研制工作,他根据精密的设计用冕牌玻璃镜坯磨制成凸透镜,又用火石玻璃镜坯磨制成凹透镜,两透镜组合以后成了焦距约18米的像质极佳的消色差物镜。与此同时他又研制出精密的望远镜机械组件。组装后这架望远镜总重量达18吨,但是它极为平衡,用很微小的力就可以使之指向天空的任何方位,它还能十分精确地跟踪天体的周日视运动。为安装这架望远镜,海尔在威斯康星州的日内瓦湖边选定了一个台址,它离芝加哥约130千米,海拔73米,观测条件相当优越。这座隶属于芝加哥大学的新天文台用捐款人的姓氏命名,称叶凯士天文台。

1897年5月21日,口径102厘米的折射望远镜在叶凯士天文台首次启用,小克拉克在这之后三周谢世。该望远镜至今还是世界上口径最大的折射望远镜。

“太阳物理学之父”

1895年,海尔担任叶凯士天文台首任台长。1897年,他又被聘为芝加哥大学天体物理学教授。进入20世纪之后,海尔又开始规划筹建一座不隶属于任何大学的独立的一流天文台。在加利福尼亚州帕萨迪纳东北方48千米处有一座海拔1800米的威尔逊山,经考察那里是进行天文观测的极佳地点,海尔便筹划在此建一座新天文台——威尔逊山天文台。经过他多方奔走,这一规划获得了卡内基基金会的一大笔资助。于是他一面留任叶凯士天文台台长(直至1905年),一面又开始了威尔逊山天文台的筹建工作,并在1904~1923年任该台台长。

威尔逊山天文台率先开展的一项工作是对太阳的观测研究。为了细致地研究太阳光谱,就必须有色散度很高的太阳光谱仪,它体积庞大,又很沉重,无法直接挂在望远镜的终端,因此最好的办法是将它固定在实验室中。那么怎样才能保证太阳横空而过时,其光束始终不变地射向该光谱仪呢?海尔采用了一种“定天镜”系统,它由两块平面镜组成,凭藉其相对位置的变化和不断地绕轴转动,可使得太阳光束始终沿水平方向投向某个固定方位,然后在那里安装高色散的太阳光谱仪进行观测。这种仪器被称为“水平式太阳望远镜”。根据这一构想,威尔逊山天文台建成了第一架这样的望远镜,但它未及使用就被一场大火所焚毁。这时海伦·斯诺小姐慷慨捐款10000美元,建成了第二台水平式太阳望远镜,它又被命名为“斯诺望远镜”。1904年,海尔用它拍摄到第一张黑子光谱片。通过对黑子光谱的分析,他获得了黑子温度低于日面其他区域温度的结论。海尔还发现,由于阳光照射下地面上升气流的湍动,水平式太阳望远镜的成像质量往往不理想,于是他又构想出一种新方案,让定天镜反射出来的太阳光束不是在水平方向保持恒定,而是垂直地从上到下保持恒定,同时还用一座空心圆塔将这条太阳光束保护起来,使它与塔外地面上的上升热气流相隔离,然后在塔的底部装上一块平面镜把射来的太阳光束反射到太阳光谱仪等设备上。这种装置被称为塔式太阳望远镜,简称太阳塔,其成像质量远比水平式太阳望远镜好得多。1908年,海尔建成了高约18米的太阳塔,凭藉它所获得的高质量、高色散的太阳光谱,他发现太阳黑子区有些谱线竟是双重甚至三重的。这是什么原因造成的呢?他想起了荷兰物理学家塞曼的重要发现。1896年塞曼指出,在强磁场中的光源发出的谱线会发生分裂,如果视线方向和磁力线方向平行,谱线就分裂为二,两子线分别离开谱线中心位置,各自向红端与紫端位移;如果视线方向和磁力线方向垂直,谱线就分裂为三,除上面两条子线外还会在该谱线的原来位置上存在一条子线。塞曼还指出,磁场强度越大时分立子线间的间距也越大,这一重要发现后来被定名为塞曼效应。通过仔细的研究,海尔发现太阳黑子谱线的分裂现象正是由于黑子具有强磁场而引起的,他还据此推算出黑子的磁场高达十分之几特斯拉(1特斯拉等于10000高斯)。

1912年,海尔又主持建成了高46米的更精良的太阳塔,并配以高色散的太阳光谱仪。用它对太阳的进一步观测研究发现,不仅黑子存在磁场,而且整个太阳还存在着普遍磁场,其磁场强度比黑子磁场要微弱得多,1930年他测得太阳普遍磁场的强度为万分之四特斯拉。

使用上面提到的两座太阳塔,海尔等人对太阳黑子进行了长期的观测研究。他发现黑子也有通常偶极磁场所拥有的N极和S极,而且太阳表面以赤道为分界的南北两个半球上,所有的双极黑子群中的前导黑子和后随黑子都具有不同的极性,不同半球上的前导黑子的极性正好相反,后随黑子的极性也正好相反。

在海尔以前,天文学家都根据太阳黑子的多寡来划分,认为太阳黑子存在着11年的周期性,但海尔等人却在1913年发现,当一个11年的太阳黑子周结束而下一个黑子周开始时,在同一半球上的黑子群与上一周的黑子群相比,前导黑子与后随黑子的S、N磁极正好颠倒过来了。

于是海尔在1919年提出,若考虑黑子的磁性,太阳活动的真正周期不是11年,而是22年,称为黑子的磁周期。同年他还提出了黑子群的磁分类法。

1923年,海尔研制成太阳单色光观测镜,它与太阳单色光照相仪相类似,是用扫描方式来获得太阳的单色像,但其终端不是使用底片拍照,而是用人眼进行目视观测,它更适合于对色球层中的太阳活动现象进行长期的、连续的监测。

海尔的这些工作,开创了用物理方法对太阳的深入研究,天体物理学中的重要分支——太阳物理学从此诞生。因此人们常将海尔誉为“太阳物理学之父”。

筹建巨型反射望远镜

海尔在叶凯士天文台所建的口径102米的折射望远镜已经达到了这类望远镜的顶峰,因为再加大物镜的口径时必须同时加厚物镜的厚度,于是口径增大所多收集到的星光就会被厚度变厚所多吸收的星光相抵消,因此加大物镜口径便不会再有多大作用。怎样才能研制出口径更大的望远镜以探索更遥远、更暗弱的天体呢?海尔想到了筹建巨型反射望远镜。

说到巨型反射望远镜,英国天文学家威廉·赫歇尔和罗斯伯爵三世已经起步在先,两人分别在1789年和1845年各自研制出口径122米和183米的反射望远镜,在当时堪称登峰造极。

但那时的反射望远镜其物镜都是金属镜面的,它很难磨制,只能反射20%左右的星光,又容易失泽,而且在夜晚天文观测过程中,由于金属镜面受温度变化会产生微小形变,成像质量欠佳。但是,在威廉·赫歇尔和罗斯伯爵三世的时代,那是无奈的,因为那时的反射望远镜无法采用别的材料来磨制。有人想到,折射望远镜的物镜用玻璃磨制,那么反射望远镜的物镜是否也可以用玻璃来磨制呢?玻璃比金属比重小,价格低廉,容易研磨和抛光,但是玻璃是透明的,即使其镜面形状已研磨得符合要求,抛光得又很光洁,依然无法作为反射望远镜物镜来使用。因为只有一小部分的光从镜面直接反射,大部分光穿过镜面,照到它的底面,有的光穿出底面跑掉了,另有一些光又从底面反射回来,再次穿出镜面,结果直接从镜面反射的光便同从底面反射回来的光互相干扰,星像便显得模糊不清。

转折点于1856年到来,这一年,德国化学家利比希发明了在玻璃镜面上镀上银膜的技术。此技术立即被用到反射望远镜上。镀银后的镜面光鉴照人,它可以把80%以上的入射光反射出来,比金属镜面的反射率高得多。从此反射望远镜迎来了一场革命。到了海尔时代,金属镜面的反射望远镜已经淘汰,取而代之的是镀银的玻璃镜面的反射望远镜,只是那时的这种反射望远镜口径还不太大。海尔的雄心壮志是要建造比威廉·赫歇尔和罗斯伯爵三世的巨型金属面反射望远镜口径更大、性能更好、运转更灵活的巨型反射望远镜。在这方面他一生中实现了一个卓越不凡的“三级跳”。

“三级跳”的第一跳是筹建一台口径152米(60英寸)的反射望远镜。19世纪末年,芝加哥大学所属的叶凯士天文台打算研制一台大型反射望远镜,于是海尔的父亲从巴黎买来了一块口径152米的镜坯,但后来由于该台无法筹措到足够的经费而使此计划搁浅。1903年,海尔从卡内基基金会获得筹建威尔逊山天文台的经费时,建造一台大型反射望远镜已在该台的规划之中,这就是说经费已得到了保证。于是海尔从他父亲那里买来了这块镜坯,组织人研制口径152米的反射望远镜。1904年,海尔就任了威尔逊山天文台的首任台长,这项工作又成为他的首先要抓的几件大事之一。1908年,该望远镜在该台落成,它的性能比罗斯伯爵三世那台口径183米反射望远镜优越得多,用它曝光四小时,可拍摄暗到20等的恒星,用它拍摄恒星光谱也空前地清晰。

同类推荐
  • 快乐星球:纪念版·面包风波

    快乐星球:纪念版·面包风波

    多面体和我妈妈吃了面包后,记忆力都变得特别好,而我吃了一大块面包后,课文也背得滔滔不绝,让全班同学都很惊讶。我吃了好多好多面包,可是怪事出现了,我的脑海一片空白。我终于懂得投机取巧是不可取的,靠自己的努力才能得到快乐……
  • 安徒生童话(上)

    安徒生童话(上)

    关于我所写的童话,我也想说几句我自己的心里话。首先从已经出版成集的《讲给孩子们听的童话》说起,这是我的第一部童话作品集。这部童话作品集出版后,对于它的评价有各种各样的声音。我到现在还很尊重这些声音,虽然不乏批评之声。我很珍惜他们对我所写童话作品的批评,我知道这是他们发自内心的肺腑之言。
  • 5~7岁孩子爱玩的趣味文字游戏(注音版)

    5~7岁孩子爱玩的趣味文字游戏(注音版)

    5~7岁是孩子智力和体力发展的重要时期,也是培养孩子各方面兴趣的最佳时期。本书写给5~7岁的小朋友,用游戏的方式培养孩子学习语言文字的兴趣,每个游戏都充分考虑了孩子的接受能力,并配有精彩图画,帮助孩子开动小脑筋,学识字、学知识。
  • 人物解谜(走进科学)

    人物解谜(走进科学)

    本套书全面而系统地介绍了当今世界各种各样的难解之谜和科学技术,集知识性、趣味性、新奇性、疑问性与科普性于一体,深入浅出,生动可读,通俗易懂,目的是使广大读者在兴味盎然地领略世界难解之谜和科学技术的同时,能够加深思考,启迪智慧,开阔视野,增加知识,能够正确了解和认识这个世界,激发求知的欲望和探索的精神,激起热爱科学和追求科学的热情,不断掌握开启人类世界的金钥匙,不断推动人类社会向前发展,使我们真正成为人类社会的主人。
  • 冒险小王子16:历练人鱼岛

    冒险小王子16:历练人鱼岛

    《冒险小王子》系列书是一套优秀的儿童小说读物。故事中的主人公包小龙,天生拥有一种神奇的魔力。他和小伙伴汤诺、于萌萌等人,来到了与人类社会相互依存的纳尤古精灵国度,和小精灵们一起对抗力量强大的邪恶精灵师,挫败了邪恶精灵师一个又一个险恶的阴谋。此系列书刻画了一群智慧、勇敢,敢于向困难挑战的优秀儿童人物形象。
热门推荐
  • 仙古大荒

    仙古大荒

    万物混沌,天道苍茫,宇宙洪荒,永世不朽。一道铜门,一颗古星,一片大海,一处禁地.....当今的世界从何而来,过去的时代又是否存在?大道之上可有掌控者,太初之战所求是何物?种种谜团接连而至,一切都需要有人来揭晓。少年叶晨,流落荒界,持族文而出,他有一些事情要做....
  • 豪门盛宠:暖妻不乖

    豪门盛宠:暖妻不乖

    他们不能相爱,可是爱了却没有办法逃避.他可以宠她至上,却不能正大光明的拥有她.一场不该的爱情,他们该怎么办???
  • 炼狱小丑

    炼狱小丑

    三大世界即将毁灭,创世者混沌因为失望舍弃了神明和世界,在这个世界崩坏之时即使是可以创界的神也要死去。现在只有占领其他三大世界才可继续生存,一场以游戏为名的无限轮回将会选出神明认可的强者,届时神明将带领这些人进行旷世征伐。五族之战,古老神话,主宰争霸,逝者不死,诅咒之地,灵异之地,这一切的一切背后都有一只手在掌控着整个事件。作者的话:所有的无限流故事都是我自己想出来的,没有任何电影恐怖片轮回全是我想出来的新世界,世界观奇大,但是我的能力有限不喜勿喷。
  • 陆九卿

    陆九卿

    如果有如果,如果能后悔,如果没有遇见你,那会很无趣,会很无聊,可不会痛苦。
  • 绝世至尊

    绝世至尊

    啸傲天宇唯我狂尊,男儿流血不流泪,绝世强者的生存之道便是逆天而行,顺我者昌,逆我者亡!
  • 探索人类之谜(谷臻小简·AI导读版)

    探索人类之谜(谷臻小简·AI导读版)

    一部人类发展史,就是一部人类探索奥秘的历史,就是一部锲而不舍地将一个个“未解之谜”变为科学常识的历史。在远古时代,连雷鸣电闪都令我们的祖先困惑不解,这雷鸣电闪,便是远古时代的“奥秘”。至于“地球是圆的而不是方的”、“人是由猿进化而来而不是上帝创造的”这些普通的科学常识,在几百年前也还是未解的“奥秘”呢。而为了探索这奥秘,解开这世界之谜,不少科学家甚至献出了自己的青春和生命。然而奧秘是层出不穷的。旧的谜解了,新的谜又涌现出来。奥秘之门一重重开启,奥秘永远存在,奥秘永远年轻!
  • 我能看见本章说

    我能看见本章说

    我能看见人身上的本章说,我还是个心理咨询师,这是个完美的组合。但是我好像错了。少掉的章节加群735504149,有粉丝值就行。
  • 幻灯片爱人

    幻灯片爱人

    年轻作家顾念的未婚夫离开了她,却以另一种方式存在。。。
  • 追妻无门:女boss不好惹

    追妻无门:女boss不好惹

    青涩蜕变,如今她是能独当一面的女boss,爱了冷泽聿七年,也同样花了七年时间去忘记他。以为是陌路,他突然向他表白,扬言要娶她,她只当他是脑子抽风,他的殷勤她也全都无视。他帮她查她父母的死因,赶走身边情敌,解释当初拒绝她的告别,和故意对她冷漠都是无奈之举。突然爆出她父母的死居然和冷家有丝毫联系,还莫名跳出个公爵未婚夫,扬言要与她履行婚约。峰回路转,破镜还能重圆吗? PS:我又开新文了,每逢假期必书荒,新文《有你的世界遇到爱》,喜欢我的文的朋友可以来看看,这是重生类现言,对这个题材感兴趣的一定要收藏起来。
  • 你眼里的星辰与大海

    你眼里的星辰与大海

    你的眼里有星辰与大海,而我的眼里只有你。