第十五讲 太阳

↓1.要测量太阳与地球之间的距离，以地球作为基底线是不够的。

↓2.萨摩斯岛的阿里斯塔克的方法。

↓3.金星凌日的方法。

↓4.太阳到地球的距离、长达三个半世纪的旅行、太阳的体积，一粒麦子与140升麦子。

↓5.如何测量太阳的重量。

↓6.地球的下落。

↓7.太阳神腓比斯的马和太阳的负重、一辆人们从未见过的货车。

↓8.太阳表面的重力、被自己重力压垮的人。

↓9.太阳的密度很小、太阳上的黑斑与太阳的自转。

↓10.太阳上的飓风。

↓11.光线被棱镜片改变方向。

↓12.色散、太阳的光谱。

↓13.光谱上的黑线、从太阳射到地球上的光线是不完整的。

↓14.白炽的球所发出的完美光线、金属蒸汽在火焰上燃烧造成的影响。

↓15.太阳的物理构成、太阳的化学成分分析。

↓1.我们要想知道地球与月球之间的距离，就首先要有一根基底线，它要大得足够容下大陆的轮廓，并且，从这根基底线的每一端，我们都能够同时测量出月球到观察者所在天顶之间的角的大小。画一个相似的图，或者最好是通过计算，我们就能得出月球到地球的距离是地球半径的多少倍，这一方法似乎适用于任何一颗星球。但是如果我们用这种方法测量太阳到地球的距离，那么就会遇到一个困难，也就是说，基底相对于地球到太阳的距离而言太小了。要测量地球和太阳之间的距离，把地球放到这个大尺寸的背景中去，即使地球如此巨大，在这个背景中也只是一个点而已。现在我们再回到第十讲中关于月球的图53，在同一条地球子午线上有两个点，C与V，它们离得足够远，我们测得天顶距DCL与HVL，现在我们假设这两个天顶距不是关于月球的，而是关于太阳的。现在的问题就是，用这些太阳的角数值来构造一个相似图形。当然，此时，如图54中展现的那样，cl和vl是可以无限延长的。你用来画图的这张纸，无论它有多大，对于这样一个图形而言都是不够大的。如果有两条直线永远都不会相交，我们就认为这两条直线是平行的。这一结果说明了什么呢？显而易见，基底线CV，即从非洲的最南端到达欧洲中心的那条线，在目前的情况下，它的大小是不知道的。地球太小了，因此不能以它为基底线构造以太阳为顶点的三角形。以地球的大小作为基底线来测量地球到太阳之间的距离，这是非常荒谬的，就像以一段那么短的长度作为基底线来构造一个三角形，用它去测量几公里外的塔的距离一样。你们一开始的时候会觉得我们的地球是非常大的，可是现在应该已经改变了看法。对于我们在天空中要做的第二个步骤来说，地球的直径在数量级上太小了，几何学就不能完全自如地利用大陆与海洋的表面来测量地球与太阳的距离了。在我们地球这么狭窄的地方，没有足够大的尺寸来做这么大尺度的测量。要做这种测量，让我们飞到辽阔的太空里去寻找吧，或许在那里我们可能会找到所需尺度的基底线。

↓2.我们找到了这样一根基底线，它就是地球到月球之间的距离。对于一条60倍地球半径长度的线段来说，几何学对此应该感到满意。倘若能够在这条基底线的两端进行观察，倘若能在月球上进行观察，看到一边是地球而另一边是太阳，这就像在地球上进行观察，看到一边是月球而另一边是太阳一样，那么几何学对此就应该感到满意了。由此我们得到两个角，通过这两个角，几何学能够建造一个相似的三角形，这就可使我们求得地球与太阳之间的距离。这就像我们通过一个已知其两条边与一个角的三角形，就能够克服河流的障碍而获得河对面塔的距离一样。但是很遗憾，几何学家的眼睛不能够到达月球，也不能通过放置在月球上的经纬仪来瞄向地球与太阳。因此，为了避免测量月球位置上的那个角，我们就应该绕过这个困难并重新调整方法，根据月球的相位，我们只要在这个角变成直角的那一刻开始观测就行了。首先具有这一天才想法的人是古时候一位著名的天文学家，他就是萨摩斯岛的阿里斯塔克。科学界为了纪念他，用他的名字来命名月球上的一座环形山。下面我们来介绍他所采用的方法：

如图63所示，T即地球上观察者所在的位置。S是太阳，L是月球。在上弦月或下弦月时，也即月球将它发光的那一面朝向我们地球时，观察者能在一条边上看到太阳的中心，并在另一条边上看到月球上的明暗交替处，这两条边就形成了一个角STL，或说地球上的这个角。至于月球上的这个角TLS，我们不用测量都知道，因为这个角是直角。实际上，在我们所选的这样一种情形之下，太阳光线是垂直于视线TL的，因为我们正好可以看到被太阳照亮的那半个月球，我们可以把线SL看成是一条太阳光线，所以它也垂直于TL，因此在三角形TLS中，我们知道LT的长度是地球半径的60倍长，而角L是直角，通过直接测量，我们就可以知道角T的大小。这些条件就足够我们来构造一个相似的三角形，就像我们在测量一个不能到达的塔的距离时要构造一个相似三角形一样。由此我们就能得知，线TS或者说地球到太阳之间的距离，是地球半径的多少倍。

↓3.阿里斯塔克的方法在理论上是完美的，但在实际操作中却是有缺陷的。因为这种方法会遇到一个棘手的难题，即如何去知道月球正好将它发亮的那一面朝向我们的精确时刻。这一时刻的微小误差，就能导致结果与事实的差距非常大，而且在我们现在的研究中，人们比较青睐更为灵活尤其是更为精确的方法。尽管如此，我还是很愿意向你们解释阿里斯塔克的方法。因为这一方法是你们现今为止唯一能够理解的方法，而且，因为它清楚地向你们展现了如下细节：如何以在天空中所测得的第一个距离作为基底线来测量第二个更大的距离，然后再以第二个距离作为基底线去测量第三个距离，如此下去，不断地借助建造起来的一个个脚手架，天文学家就能测量出遥远太空中的最高最远处的距离。

确定太阳与地球之间距离的最好方法是金星凌日的方法。现在我来解释这一方法，你们对此还一无所知呢！不过你们很快就会知道，地球并不是唯一一个绕着太阳作圆周运动的星球。地球有很多的同行者，有一些比地球小，有一些比地球大。它们是一些跟我们地球相类似的行星，也一样永不停息地在太阳的周围绕着它旋转，接收着太阳传递给它们的光亮与热度。其中一颗行星叫做金星，它的体积跟我们地球相近，但它更靠近太阳一些。尽管它的体积是这么庞大，但当它在我们地球与太阳之间穿过时，它也只不过是出现在太阳圆盘上的一个小黑点而已。如果它离地球更近一些的话，那么它的影子就会覆盖住地球，从而造成一次日全食。不过，在它现在所处的位置上，它只能遮住太阳上的一个小点那么大的地方，在我们的肉眼看来，它只不过在太阳圆盘上造成一个非常小的黑斑而已。因此，金星凌日的现象，就是金星掠过太阳圆盘并在它上面产生一个黑点。不过，由于观察者在地球表面所处位置的不同，这个黑色的点在太阳圆盘上看起来也会处于或高或低的位置，因为随着观测点的改变，金星在太阳上的位置也是改变的。倘若在地球上有两位相距很远的观测者，各自都观测金星掠过太阳圆盘时走的路线，那么，从观测所得的这两个数据以及这两位观测者相隔的距离，我们就可以推算出太阳离我们地球的距离了。

↓4.这些研究得到的结果表明：我们地球离太阳大约有24000倍个地球半径的距离，也就是1.52亿千米。为了填满这段距离，为了建造起一座桥，并且使它的第一个桥桩打在地球上最后一个桥桩打在太阳上，那么就需要把12000个像我们地球这么大的天体放到一起并排成一行，像12000颗珠子串成一串珠链，并且每一颗珠子都像我们地球这么大。我们假设去太阳旅行是可行的，那么，即使活得足够长，即使运用最先进的交通工具，我们中还是没有任何人能够夸口说有一天他能到太阳上去。在去太阳的路上，他就会变老，以至于超出人类的年龄极限，他的年龄要达到好几百岁才行。我们跑得最快的火车，以每小时50千米的速度一刻不停地向前行进，那么，他要穿越太阳与地球之间的这段距离，需要三个半世纪。一颗刚离开炮口的炮弹，它的速度是每秒400米或说每小时1440千米，那么，如果它一直保持最初的速度，它要从地球到达太阳，就需要12年多的时间。

我们根据这一距离和太阳的角直径（大约是半度多一点）运用我在上文中所说的方法，我们就能够计算出太阳的实际半径、直径以及体积。由此我们求得太阳的半径是地球半径的112倍，太阳的体积是地球体积的140万倍。我们假设太阳是中空的，就像一个球形的箱子，根据上述这些数字，如果我们要将太阳填满，那么就需要放进去140万个像地球那么大的球才行。或者，如果太阳的中心占据了地球所在的空间位置，那么这个巨大的球就会将地球完全包围起来，地球就会在太阳那巨大的空间中就变得微乎其微了，太阳那巨大的体积，可以把月球绕地球旋转的活动范围都覆盖住，而且可以再延伸出一个月球的活动区域。实际上，月球到地球的距离是地球半径的60倍，它的两倍是地球半径的120倍，而太阳的半径是地球半径的112倍——两者相差不大。我们再来做最后一个比较。要将一个容积为一升的容器填满，大约需要一万粒麦子，要将一个容积为十升的容器填满，大约需要10万粒麦子，而要填满一个容积为140升的容器，大约需要140万粒麦子。现在我们假设这里有一堆麦子，它有140升，而在它的旁边，只有一颗麦子。这一颗麦子代表的是地球，而这140升的一堆麦子就代表着太阳！

↓5.天文学并不满足于这些值得惊叹的数据结果。在测得太阳离地球的距离以及太阳的体积后，天文学家开始考虑测量太阳的质量，也就是说太阳的质量相当于地球的多少倍。我们已经知道，太阳的体积是地球的140万倍大，但是这些数据并不能告诉我们它的质量。这是因为，比如说，一个木球可能比一个铅球的体积大，但它比铅球要轻。因为体积并不能告诉我们关于物体质量大小的任何信息，所以我们只剩下一种方法来测量太阳的质量，这就是给太阳称重。当我提出这样一个艰难的问题时，你们肯定会笑起来，觉得这难以置信。要给一个距离我们有1.52亿千米的天体称重，在你们看来这是极疯狂的妄想，但你们应该还记得，我们已经给地球称过重，就像我们将地球放在一个天平托盘上去称它的重量一样，尽管太阳距离我们是如此的遥远，但是要解决这一困难还是非常简单的。我们知道，当两个星球分别使得两个同样的物体在同样的距离落向它们时，其中一个星球的质量比另一个星球的多2倍、3倍、4倍，那么，在前一个星球上的物体下落的速度就比后一个星球上物体下落的速度大2倍、3倍、4倍。由此，问题就转化为：我们要确定一个物体落向太阳的速度比落向地球的速度要快多少倍，假设在太阳上与在地球上物体下落处位置离地面的距离是相同的，并且下落所花的时间也相等。

一个落向地球表面的物体，它在头一秒内所经过的垂直路程是4.9米。假如下落不是在地球表面发生的，是在离地球24000倍于地球半径的远处发生的，换言之，如果这个物体到地球的距离与太阳到地球的距离一样，那么它落向我们地球的速度就与离地球的距离平方成反比，即4.9÷（240002），我们先不计算这个算式，直接用m来表示。现在我们需要做的就是，通过实验来求得物体落向太阳的速度。通过观测与计算地球的运行，我们就可以进行这项看起来似乎不可能完成的研究。

↓6.现在我们回到第十三讲中的图58，我们先改变一下图中字母的涵义，T在这里代表太阳，L代表地球，它每年绕着太阳转动一圈，这个圆圈的半径是1.52亿千米。比如说，在一秒钟内，地球从A点运行到B点，它落向太阳的距离是AB那么长。根据地球轨道的大小，以及它运行一周绕完轨道所需要的时间，我们就能够精确地计算出AB的长度，因此在一秒钟内，在距离地球1.52亿千米的地方，一个物体落向地球所经过的距离是m，这一点我们在前文中已经讲过，而物体落向太阳所经过的距离则是AB。当完成所有这些计算之后，我们就能够知道AB是m的354936倍。因此，太阳的质量就是地球的354936倍，因为在离物体同样远的地方，太阳的质量使物体落向它的速度是地球的质量使物体落向它的速度的这么多倍。

在这段解释中，你们可能对其中一点似乎还不是特别确定，尽管所有的下

落都是在同样远的距离处发生的，但我们所比较的下落还是不一样的。一方面是地球上物体的下落，我们在想象中将它带到离太阳同样远的距离处；另一方面是地球自身要带着它巨大的重量而往下落。由于地球要比其他物体重得多得多，难道它就不应该比任何一个重量有限的物体，比如说地球上一座山那样的物体下落得快得多吗？我们用手抓一把小球，然后放开手，小球就会并排落下去，这些小球会同时落下并且同时到达地面，因为它们下落得一样快，这就仿佛它们连在一起并且是一个物体一样。因此，一个大球就相当于所有小球的集合体一样，它不会比小球中的任何一个下落得更快。我们再做一个比较：一匹马拉着一车货物，如果这车货物的重量增加了一倍，而且用两匹马来拉，那么，马车前进的速度会不会快一些呢？很显然不会。如果货物的重量增加了三倍，而马也变成了三匹，那么，马车前进的速度会改变吗？也不会。每一颗小球就相当于一匹拉着马车的马，而小球的重量相当于马要拉的货物，如果马匹增加了，也就是说如果一颗小球变成了相当于10颗、100颗、1000颗小球那么重的大球，那么，这颗小球的下落速度仍然不会改变，这是因为，要往前拉的货物也比原先的货物要重10倍、100倍、1000倍。总而言之，只要下落是发生在同样的条件之下的，那么一粒沙子和地球下落的速度是一样的。

↓7.古代的人曾经产生过这样疯狂的想法，他们认为太阳是在天空中由四匹马拉着往前走的，这四匹马的名字分别是厄斯、皮贺斯、艾顿与弗雷贡，它们的眼睛和鼻子往外喷射着火焰。我并不知道这四匹马在奥林匹亚山的哪个牧场上吃什么草才得到它们的力量的，但是可以确定的是，它们能够飞快地拉动这辆马车。现在请允许我们作一个疯狂的假设，我们假设地球被放在一辆马车中，这辆马车在与我们平时走的路相似的路上被拉着向前行驶，那么，对于这样的一车货物，要有什么样的动力才能拉动它呢？通过计算，我们找到了答案。我们在车的前面套上一百万匹马，然后在它们的前面再套上一百万匹马，再在第三排前面也套上一百万匹马，这样依次套下去，一百排……直到一万排，如此我们就有一百亿匹马来拉这辆车。即使全地球的牧场加起来，也饲养不了这么多匹马。现在我们用鞭子抽打它们，使它们往前走。但车子还是一动不动，这是因为拉车的力量还不够大。我完全相信车子不会动，因为要将地球这个庞然大物拉起来，还需要一千万倍这么多的马！但是要拉动比地球还要重354936倍的太阳，那将是什么样的情形呢？哎呀，神话中那些可怜的马呀，要拉动太阳神腓比斯的四轮马车，我完全相信你们是足够强健的，但你们会强健到在天空中的地面拉动那科学意义上的太阳吗？安排你们去做这一工作的那些人，他们简直像孩子似的在幼稚幻想，这么巨大的天体，在他们的眼中只不过是一个磨轮那么大的盘子罢了。这样的想法太过疯狂了，让我们忘记奥林匹亚山、太阳神腓比斯以及那些拉车的马吧！在太空中，唯一能够推动这不可想象的重物前行的力量，只有大自然。

↓8.根据太阳的质量以及它的半径，我们可以推出这颗星体表面重力的大小。这个计算是非常简单的。倘若太阳把它的所有物质都集中在一个体积跟地球一样大小的球体上，那么在它表面，它会以比地球引力大354936倍的引力来吸引物体。但是，由于太阳的半径是地球半径的112倍大，因此我们就要用太阳表面到中心之距离的平方来成比例地缩小这个结果，也就是说，用354936除以112的平方，结果是28。因此，在太阳表面的重力是地球表面重力的28倍，也就是说，一个物体在太阳表面呈自由落体运动，它在第一秒内下落的距离是4.9米的28倍，即137.2米。换言之，一个物体在地球上称得的重量是1千克，而在太阳上的重量就是28千克了，而物体所包含的物质却没有丝毫增多。恰恰是同一个物体，在太阳上就会变重，这是因为它在太阳上所受到的吸引力更大。这样一个事实就让我们知道了，如果我们到太阳的表面上去，那会是一个非常可怜的样子。在地球上，我们的身体构造可以支撑起我们身体的重量，在这样的重力环境下，我们走过来走过去不会遇到什么困难，这是因为我们身体所使出的力是与我们的体重相一致的，但在太阳上，我们的力不会增大，而我们的身体却增加了28倍的重量。在这种情形下，我们就像每个人肩上都背着27个人一样。在太阳的表面，我们会被自己的重量压垮，只能趴在上面不动。或许也有可能，我们会被我们自己的体重压扁，就像一摊又重又软的黄油。

↓9.尽管太阳大得惊人，但它的质量却跟它的体积不成比例。如果把构成太阳的物质均匀分散开来，那么每立方分米的物质质量是1.39千克，这也刚刚比水的质量略多一点。我们已经知道，地球上的物质，假设它们是同质的，那么每立方分米的物质质量是5.5千克。太阳上的物质整个为什么会这么轻，人们对此是这样解释的：我们假设，在太阳的外面一层是由气体包围着的，这一点可以由它的温度很高来证实，太阳的中心是由密度稍高一些的液体状或固体状物质构成的，由于太阳外面被这层气体所包裹，因此太阳的体积跟它的质量并不呈相同比例的增长，这就导致它的质量相对其体积而言比较小。这一假设可以通过天文望远镜的观察来得到证实。

如果我们用一架配有黑玻璃（这是为了减弱太阳光线的亮度和热度）的望远镜来观察太阳，那么我们几乎总是会看到在太阳的表面有一定数量的斑，它们的外形是很不规则的，暗淡发黑地分布在太阳上面，与太阳那白色发亮的圆盘形成鲜明的对比，这些斑的周围环绕着一层镶边，虽然不合适，但我们还是将它们称为半影。这些斑是可以移动的，它们一开始位于太阳的一侧，然后慢慢地从太阳圆盘的西边移动到东边，到达圆盘的另一侧，最后就消失不见了。在不到两周的时间里，它们又会重新出现在圆盘的另一侧。我们已经推断出，太阳绕自身旋转，每过25.5天这些同样的斑又会返回到原来所处的位置。一个位于太阳的轴上观察者，头朝向太阳上面那个极，他会看到太阳是从右向左转动的。同时他还能看到，地球也是按这个方向绕着太阳转动。

↓10.太阳上的斑并不是一成不变的。在某一个时期，我们可能会看到很多斑，但在另一个时期，可能会看到很少或是干脆就看不到。在观察者看来，它们有时会像我们地球大气层中的暴风雨出现前的乌云一样。它们有些分裂成一个个的碎片，然后重新组成新的形状，或者分解掉，最后在太阳的白色圆盘上消失；而另外一些则比较稳定，每当我们观察的时候，它们随着太阳的转动都呈现出相同的样子。但是在太阳连续转动了几次后，很少有斑能够保持不变。通过确切的测量，我们能够求得这些斑的面积有多么的庞大。表面积比整个地球还要大的斑，我们并不能经常见到。赫歇尔曾经观察到一块宽度为76000千米的斑。这些斑是什么东西呢？也许它们是由一些黑色物质随机组成的团状物，它们会在太阳的正面分散开来，然后消失在火的海洋中。也许在火焰的包裹中，它们会打开一个缺口，让我们窥见其黑暗的里面。也许……但是让我们放弃这些不成熟的猜测吧！太阳还没有说出它的秘密。尽管如此，其中一点还是毋庸置疑的。这些巨大的斑，它们每过几个小时、每过几天，就会形成，或者消散，聚集成堆，然后又消失不见。但是在它们的中心有一种物质，这种物质没有多少抵抗力，它们很容易产生翻天覆地的变化。太阳表面的地方，就是产生飓风、漩涡、暴风的地方，它们撕扯出太阳中的物质，把这些物质搅进一场永无休止的风暴中。因此，通过这种方法，我们得出了相同的结论，即太阳的外层是由一层庞大的炽热气体所构成的。

↓11.通过对光进行细致的研究，科学家可以推断出太阳这一光源的性质。科学可以告诉我们太阳是由什么物质构成的，这就像在太阳上采集一点物质放到熔炉中进行化验分析它的成分一样。根据我们前面所做的最基础的探讨，我们来对太阳光进行这一神奇的研究。

一束光通过百叶窗中间的缝隙照到一间黑暗的屋子中。在这样的状况下不会有什么特殊的事情发生，这束光是完全笔直的一条线。在它传播的路径上，有一些飘浮其中的灰尘颗粒在闪闪发亮。我们将一片玻璃放在它传播的路径上，那么也不会有什么异常的情形发生，光束会穿过透明的玻璃，继续沿着直线传播。但是如果这不是一片平的玻璃，而是一块楔形的玻璃，或者像人们所说的棱镜，那么，光束就不会沿着直线传播了，而是会发生弯折，在它的传播过程中会突然改变方向。由于这种偏斜，光束传播的方向在棱镜内部发生了两次改变，我们称为一共产生了两次折射。

在图64中，一束光线沿着直线SL传播，在这条直线上，我们放置了一块棱镜片。由于光束是从空气传播到玻璃中去的，或说是从一种密度小的介质传播到了另一种密度大的介质之中，因此当它进入玻璃内部时，它就会靠向玻璃表面的垂直线NO，不是沿着原来的方向即直线IL传播，而是沿着直线II′传播了，直线II′是更加靠近垂直线的。当它到达点I′的时候，它就会从玻璃传播到空气中去，也就是说，它从一种密度大的介质中传播到了另一种密度小的介质中了。因此，它会远离玻璃表面的垂直线N′O，沿着直线I′S′的方向传播，由此，直线I′S′与玻璃表面的垂直线N′O形成了一个角N′I′S′，这个角比前面的那个角II′O要大。因此，一束光线在穿过一个棱镜片的时候，它弯折了两次，更加靠近棱镜片底边的方向。

↓12.除了使得光线的方向发生改变之外，棱镜还有另外一个作用，使得光线产生一种非常重要的变化。这束光线通过百叶窗上的开口进入黑暗的房间，直到射到棱镜上的时候，还保持着它原先的形状与大小，但当它射进棱镜时，就变大了，而在它射出棱镜时，就会变得更大，呈扇形发散出来，如图65所示。对于原来整个光束而言，它的方向并不会发生同样的改变，因为在光束穿过棱镜后，展开成一个角形平铺开，在其中会发生许多不同的方向改变。换句话说，太阳光线并不是同质的，在整个光束中，这些光线并不是同样的。假设这些光线实际上是同质的，那么不管棱镜片对它们具有什么样的作用，它所产生的效果对整个光束而言都应该是一样的，要是这样的话，那么光线在射出棱镜时，尽管它的方向发生了改变，但仍会保持着原先的形状，而不是呈扇形展开。

现在让我们继续。在图65中，我们在光束穿过棱镜后的传播路径上放一张白纸。那么我们立刻就会看到，这张白纸上出现一个长方形，长方形上显示出像天空中彩虹那样各种各样的颜色：有紫色的、有青色的、有蓝色的、有绿色的、有黄色的、有橙色的，还有红色的。我们将这个长方形称为太阳的光谱，谱这个词在这里仅仅指的是图像，没有什么比对这个光谱的解释更简单的了，这说明太阳光线并不是同质的。太阳光线中不同的成分，即不同的光线，在穿过棱镜片时，它们的方向发生了不同程度的改变，有的改变得多一些，有的改变得少一些，在经过棱镜片时，它们各自分离开，在白纸上的不同位置留下了它们各自不同的颜色。因此我们现在知道了，在普通的光线中，在太阳发出的白光中有着不同颜色的光线，有紫色的、蓝色的、绿色的、黄色的等等。当这些不同的基本光线重新聚集在一起时，它们又会变成一束白光。当它们通过棱镜片而互相分离时，它们每一个又呈现出自身所特有的颜色。光谱不仅仅包括我们在前文已经讲过的七种颜色，它还有夹在中间的一些过渡色，它们之间的这些细微差别，我们是难以分辨出来的，比如说，在绿色光结束而黄色光开始的地方，这是一种什么颜色呢？同样的，白色光也是一束包含着不同颜色的光，当它穿过棱镜片时，它也会发生程度不等的方向改变。因此，太阳光谱就像一个五颜六色的键盘，它有着不同的色调变化，包含着从紫色到红色的各种颜色，这就像一个乐器的键盘有着种种不同的音调一样，从最重的音到最轻的音都包含在其中。

↓13.我们来进一步考察这个颜色的键盘。借助于一面放大镜，我们可以看到在光谱的光带上有着无数条不连续的细线，在这些细线的间隔之间，光线并不存在。这些深黑色的间隔彼此平行，它们中有的细一些，有的粗一些；有些相距远一些，而有些相距近一些。如图66所示，它们的数量是固定不变的，它们也有先后次序。无论何时何地，人们都能观察到太阳光线的这种不会消除的同样特征。在物理学上，我们将它称为光谱线。那么这些黑色的线代表的是什么呢？这些没有光的线是什么呢？——如果严格说来太阳光线包括所

有可能的光，从最紫色到最红色，那么，光谱带上所有可能的位置就都会被占满，因为通过棱镜片的作用，每一种光线的传播方向都会发生改变，这样，从光谱的一端到另一端就不会存在什么间隙。但是如果缺少了一些基本光线的话，那么白光在穿过棱镜片之后，就会出现一些空白的区域，即光谱上黑色的线，这就是那些缺少的光线并没有出现的位置。因此，光谱上存在黑线这一事实，就说明了太阳光线在到达我们地球的时候是不完整的。显然，这是因为有一些太阳光线在传播的路途上消失了。我们用更确切的表达方法来说，就是光谱的颜色键盘是不完整的，它缺少很多键，而所空缺出来的位置就成了一个个的黑色空格。

月球以及被太阳照亮的其他各个天体，当它们的光射到我们地球上时，也会造成同样的结果。光谱总是被无限多个黑色空隙间隔开，这些黑色空隙按照与太阳光谱同样的次序排列在一起。的确应该是这样的，月亮发光是因为它反射了从太阳借来的光，当这些光线到达我们地球时，它们还具有从原初光源获得的不可消除的特征，至于那些星星，它们的发光性质类似于太阳，距离我们地球也非常遥远，它们形成的光谱也跟太阳光谱一样，会被许多黑色的空隙间隔开。但是，每颗星星的光谱黑线在数量上是不一样的，它们的组合方式也是不同的，这个规则是普遍的，也就是说，那些天空中的光源所射出的光线在经过棱镜片后都会产生一些光谱黑线，它们的光都是不完整的，在它们的光谱带上，都会缺少某些色调的光。不过，在某一颗特定星星所产生的光谱上，这些色调的缺少是不变的，尽管每颗星所缺少的色调都不一样。

↓14.我们认识到，宇宙中最大的光芒四射的星体，即太阳，并不是完美的，它的光线也不完美。得到这样一个认识，具有非常重要的意义。一旦我们证实了它并不是完美的，那么我们每个人都会自问，其原因是什么呢？首先，我们是否可能获得一种完美的光线呢？可以的。只要我们用一个白炽的固体来作为光源就可以了，比如说一个白炽的金属球。倘若我们让刚出熔炉的金属球所发射出来的光线穿过一个棱镜片，那么我们就可以获得一个非常完美的连续光谱，在它上面没有任何光谱黑线的印迹。在金属球的这束光线中，基本的光线是完整的，因为在光谱带上，所有的位置都被光线占满了，但是我们也很容易在这条完整光谱上造出黑线来。我们先找一道明亮的火焰，比如说一个煤油喷灯或汽油喷灯的火焰，最好是一个酒精喷灯的火焰。在这道火焰中，我们撒上一些很细的金属粉末，比如说铁的粉末，这时，我们使白炽金属球的光穿过这道火焰再到达棱镜片。我再向你们表述一番这个实验的步骤。在一边，我们放置上一个白炽的金属球，它能够放射出完美的光线，在另一边，我们放置上一个棱镜片，它能够分解光线，在这二者之间，我们放置上一道燃烧着铁末的火焰，光线要从金属球射到棱镜片上，它就要穿过这道冒着金属蒸汽的火焰。经过这一系列操作之后，金属球的光谱就不再完整了。这时，我们在它的光谱上就会看到一些黑色的线，就像在太阳光谱上看到的黑色的线一样。通过细心的观察，我们可以看清楚这些黑线的数量、位置以及排列情况。接下来，我们在火焰的中央撒上一些其他的金属粉末，比如说铜的粉末，这样产生的光谱中还是会有一些黑色的线，但这些黑色的线与我们散铁粉时所产生的黑线大不一样，无论是数量还是它们组合的方式，都不一样。我们再往火焰上依次撒铅、银、锡、金、锌等金属粉末，它们又会产生新的黑线。从一种金属到另一种金属，所产生的黑线在数量与位置分布上都是不同的，但是在同一种金属粉末所产生的黑线则是相同的。因此，当一道完美的光束穿过一道燃着任意一种金属的火焰时，它的一部分光就会消失，于是它就会失去一些基本的光线。这种缺失呈现在光谱上，就会出现一些黑色的线，这些黑线的位置、数量以及排列次序，都取决于金属的性质。

↓15.为了将我们在这些实验中所获得的信息应用到太阳光线上，我们就要科学地承认太阳的中心是一个液态的或者固态的球，很高的温度使它发出光线，它的热度非常高，我们人类所能制造出来的最高温度是无法跟它比较的。在这个光芒四射的球体中心的周围，包裹着一层体积非常庞大的气体，这些气体是由于太阳的热度而蒸发出来的物质组成的。在太阳上，并不像在地球上一样有一个蓝色的空气穹顶，在穹顶上飘浮着一些能够落下雨的云彩。在这里，太阳被光芒四射的火焰包裹着，这层包裹是金属蒸汽形成的耀眼堆积物，降落着熔化的金属暴雨，然后这些金属再次蒸发，无穷无尽地制造出那令人生畏的金属液体瀑布。从太阳的中心发射出来的光线是完整的，这些光线就像我们实验中白炽的球所发射出的光线一样，但是当这些光线穿过在外层覆盖着的火焰时，就会丢失一部分基本的光线。因此，当它到达地球时，就变成不完整的了，它所产生的光谱上的许多黑线就是太阳大气层上汽化的金属蒸气所造成的，其中有一些金属是我们认识的。实际上，我们发现，在太阳的光谱中，存在着一些非常有特征的黑线，这种黑线跟我们在火焰中燃烧铁末时所产生的光谱黑线一样，它们的数量与组合都是不容置疑的，因此，在包围太阳的那层金属蒸气中存在着铁，同样还有铜、锌和其他的地球金属。因为这些不同的金属造成的光谱黑线与太阳光谱中的一部分黑线是一模一样的。但我们还没有证实，在太阳的包裹层中是否存在着铅、银和金这些金属。我们还有理由相信，在太阳的大气包裹层中存在着一些地球上所不知道的金属蒸气，因为太阳光谱中很多黑线与地球上物质所产生的光谱黑线并不相同。

对光谱研究作一番迅速的考察，我们就能产生一个伟大的想法，也许地球拥有一些自身所特有的金属物质，太阳也是一样，但是在相距1.52亿千米的这两个星球之间，它们在化学组成上也有着不容置疑的共同点，它们都是由同样的物质组成的。