1701077678
1701077679
我们在本章中采集的光谱里蕴含的故事还远远没有结束，首先来看节能灯那些分立的谱线，我们还能从中得到什么别的信息吗？
1701077680
1701077681
实际上，除了每个峰所在的波长告诉我们它来自于什么元素以外，每个峰的形状也是大有文章的，从中我们可以推测出关于发光物质的很多信息。比如我们看图14.8中的第2号峰（波长436nm）。它来自水银原子中电子从某一个能级跳跃到另外一个能级所释放出的能量（关于电子跳跃发光的问题，请参考本书第2章“揭秘神奇的光：激光”）。按道理，这个能量是一个非常明确的数值，它等于两个能级之差，所以它应该具有一个单一的波长。但是图14.8中的2号峰有个明显的宽度，也就是说它的波长是可以在一个小范围内变化的。如果把实测光谱的横轴转换成波长的话，这个峰（即谱线）的宽度约为5nm（谱线宽度定义为峰值一半的地方的宽度，简称为“半高宽”）。5nm对于一根本应有着确定能量的谱线来说，是一个非常大的展宽。比如我们常用的激光二极管发出的红光，如果用光谱仪分析，其波长谱线的展宽是0.001nm或更小。
1701077682
1701077683
1701077684
1701077685
1701077686
图14.15 实测2号峰的谱线宽度
1701077687
1701077688
有朋友会质疑说，这个宽度并不代表这根谱线具有多个波长，它来自于我们使用的光谱仪狭缝的宽度，这的确是一个很好的设想。从图14.8中也可以发现，维基百科给出的荧光灯光谱上的2号峰比我们实测的要窄不少，因为科研人员使用的高级光谱仪的狭缝比我们的山寨版要小得多。但是，即使我们进一步缩小狭缝，谱线也始终会有一定的宽度，并不会变得越来越小。这个宽度显然不是来自于狭缝，而是来自发光物质本身。
1701077689
1701077690
荧光灯管中的水银被加热，形成蒸气，所以水银原子在灯管里一边东奔西跑，一边向外发出光线。假设某一个水银原子静止的时候，它发出波长436nm的光波，但是当它向我们奔跑时，它发出的波长就不再是436nm，而会变短一些；当它离我们远去时，它发出的波长也不再是436nm，而会变长一些，这就是我们在高中时学过的多普勒效应。正因被加热的水银蒸气具有朝各个方向以各种速度运动的水银原子，所以原本一根明确的436nm谱线有可能变成437nm（由那些朝我们运动的原子发出），也有可能变成435nm（由那些远离我们运动的原子发出）。这样它就由一根线变成了一个峰。可以理解，水银蒸气温度越高，则原子运动得越快，多普勒效应越明显，谱线就会扩展得越宽。实际上，我们可以通过谱线的半高宽来计算出原子的温度，其公式为：
1701077691
1701077692
1701077693
1701077694
1701077695
（公式推导请参考维基百科“Doppler Broadening”词条），其中λ0是原子在静止情况下应该发出的光波波长，m是原子质量，kB依旧是波尔兹曼常数（kB≈1.38×10－23J/K），T是原子温度。由于我们这里的谱线展宽很大程度上是因为仪器本身引起的误差，所以需要去掉这个因素以后才能用这个公式计算，不过那就是一个很复杂的过程了。
1701077696
1701077697
分析宇宙深处的天体发出的光谱谱线，天文学家可以获得丰富的信息。我的一位从事天文研究的朋友，亚利桑那大学物理系的蔡峥告诉我，他可以从谱线的形状推测出遥远天体的温度、旋转速度、气体湍流强度等信息。这些信息都是从发光物质的运动，从而产生多普勒效应引起的谱线展宽中得到的。图14.16展示了这样一张实际天文研究中通过望远镜和光谱仪获得的光谱图，其中各个主要峰上的标记表示这是由什么物质发出的谱线，比如Lyα是来自氢原子，CIV是来自碳原子（IV表示第四）。很明显这些谱线也都具有非常大的宽度，比如CIV，其半高宽约为10nm。因为这个光谱是使用专业的光谱仪采集的，狭缝引起的展宽可以忽略不计，所以这10nm的展宽完全是由于发光物质碳原子在高速运动引起的。我们可以用多普勒效应的公式来估算一下，要使波长增长5nm，碳原子需要以多大的速度运动。这个公式是（大家可以推导一下）：
1701077698
1701077699
1701077700
1701077701
1701077702
1701077703
代入数值，可得，即这些碳原子在相对于我们以接近3 000km/s的速度运动着！这些信息对于帮助人们理解天体的形成和演化都是至关重要的。
1701077704
1701077705
1701077706
1701077707
1701077708
图14.16 来自遥远的黑洞附近物质发出的光的谱线。图片由亚利桑那大学物理系蔡峥提供
1701077709
1701077710
看罢分立的谱线，我们再来看看连续的黑体辐射谱。在人类认知宇宙的历史上有一个非常重要的黑体辐射谱，它就是宇宙微波背景辐射（Cosmological Microwave Background Radiation），其光谱如图14.17所示。话说在1965年，美国的无线电天文学家Arno Penzias和Robert Wilson开始调试一架新建的用于无线电通信和天文观测的微波天线。他们发现无论把天线指向天空的什么方向，都能接收到一个强度随频率分布如图14.17所示的微波信号（图中+号标出的点）。他们觉得是仪器出了毛病，绕着这架十几米高的大家伙转了一圈，他们发现天线上有鸟儿留下的“天屎”。这也许就是问题所在，他们把天线仔细打扫干净，回到观测室一看，原来的微波信号一点也没有减弱！
1701077711
1701077712
实验学家一般到了这个时候就会想起平时他们认为“四体不勤，五谷不分”的理论学家来。Penzias和Wilson通过电话联系上了普林斯顿大学的理论天文学家Robert Dicke，描述了他们的奇怪结果。Dicke先生一听，欣喜若狂，几年前他就曾预言，如果宇宙是起源于140亿年以前的一次大爆炸，经过这么长时间的冷却，它的温度应该就是3K左右，其对应的黑体辐射最强的部分就在微波波段。但是当时因为缺乏实验证据，没有人重视他的理论，而如今，这不就是一个活生生的实证吗！光谱仪给出的数据点（用+号表示）完美地落在了一条温度为2.7K的黑体光谱曲线上（见图14.17）！从此宇宙起源于一次大爆炸的学说开始成为主流理论，关于宇宙微波背景辐射的研究也在不断地深入。1978年，Penzias和Wilson这两位最早观测到这一光谱的实验天文学家获得了诺贝尔物理学奖。多年以后，我的一位理论天文学教授还在替最早解释这个光谱的Dicke先生鸣不平，他认为理论家也应分享荣誉。对于诺贝尔奖，他作了一句有趣的评语：“Half the time, it was awarded to the wrong person; half the time, it was awarded to the correct person for a wrong reason.”[4]
1701077713
1701077714
1701077715
1701077716
1701077717
图14.17 宇宙微波背景辐射。图片修改自维基百科“Cosmological Microwave Background radiation”词条
1701077718
1701077719
[1].本章光谱仪的制作参考了一个非常有趣和著名的业余科学家网站：http://sci-toys.com/。
1701077720
1701077721
[2].你可以从以下网址免费下载：http://rsbweb.nih.gov/ij/。
1701077722
1701077723
[3].关于具体的化学反应过程，请参考文献：http://yly-mac.gps.caltech.edu/N2O/Prasad/Matsumi_O3_cr0205255%20copy.pdf.
1701077724
1701077725
[4].最著名的例子是爱因斯坦获得诺贝尔奖的原因不是因为创立相对论，而是因为他的一篇关于光电效应的不经意的文章。
1701077726
1701077727