光谱学的内容究竟是什么，它对研究宇宙有什么作用吗？

问：完整的问题因该是究竟什么是光谱？绝对黑体的光谱是什么样的？不同的物体为什么有不同的光谱？什么是光谱学？光谱学在科学领域有什么应用？为什么天体中不同的元素会发出不同频率的光谱？

答：物理学家认为，光谱其实是由来自许多不同的发光物体发出的光（譬如天空中的星光，或者你家中的台灯等等）中不同频率的光线构成的。譬如，激光就由非常窄的光谱构成的（一束激光几乎完全在同一频率震动），然而太阳却有着非常广阔的光谱构成（太阳光或者说自然光中包含着许多不同频率的光线）。至于“光谱学”则是一门通过观测特定物体发出或者吸收光线的光谱（在某些情况下，观测其吸收的它源光线中某些特定频率的光波），从而收集对应信息的学科。

还有一种令人惊讶的光谱来自于绝对黑体，我们称之为“黑体光谱”。黑体光谱中特定频率（v）的光线强度（I）可以由下式给出，式中h，c，k分别为普朗克常量，光速，玻尔兹曼常数。

仔细看一下该公式，会得出一个惊人的结论：方程中唯一的变量就是温度（T）！因此，黑体的光谱完全由其温度决定。许多热源发出光线的光谱可以化简成为近似黑体。譬如，白炽灯泡、烧的通红的铁水，火焰，人体，行星等都是此类热源。这种光源发光的原因是物体内部的原子之间的互相碰撞，从而失去能量后以光线的形式“溅出来”（原子之间的猛烈碰撞可以导致电子的剧烈抖动，从而使得这些抖动的电荷发出光波）。随着温度的增加，黑体光谱的极点向更高频率移动。天鹅座的一个双星系统是一个绝佳的两种不同温度物体的例子，通过两种颜色表示各自的温度。

通过分析特定光源的光谱可以得到关于光源的构成，温度的信息，甚至连光照通路上经过的物体也可以推测出来。原子中的电子实际上存在于特定的能级中。因此，电子在发生能级跃迁时，可以通过吸收或者发出特定数值的能量，从而吸收或者发出与之对应特定波长的光波。某种元素发出的全部光波中不同频率（波长）构成集合称之为其原子光谱。

左图：亚、氦、氢、汞元素的光谱。右图：你可以通过使光线穿过含有不同气体的衍射光栅或者棱镜来辨别其含气种类。

不同元素的原子核内有不同数目的质子，元素质量数越大将意味着更强的电磁引力作用到外部的电子上，将会导致这些围绕着原子核转动的电子之间产生一些奇特的、并且异常复杂的非线性相互作用。因此，不同元素之间电子数目的差异将产生完全不同的光谱。在实际分析中，除了最简单的氢元素之外，其他的元素光谱通常都需要强大的计算机来辅助才能实现准确的计算。

这里还存在一个与元素发射光谱相对应的概念，叫做“吸收光谱”。众所周知CO2（二氧化碳）是重要的温室气体之一，这是因为二氧化碳的吸收光谱中，红外线的频率占有相当大的比例。

在太空中看到的太阳的光谱（因为真空环境更干扰较少，光谱更为清晰）。

光谱中的间隙可以判断出太阳的外层有什么气体。

因此，通过光谱分析，可以快速得出光源的化学构成，并且经过仔细分析测量光谱中每条线（通过光学手段分离出不同频率的光波）的亮度，甚至可以分析出不同化学元素的比例。

更神奇的是，全宇宙中任何原子的光谱都是相同的，因此，当我们观察到某颗天体光谱中的来自于氢元素光谱线，随着时间向整体向低频方向移动（光谱中渐趋于最清晰并且最明显的一条）时，根据多普勒效应解释该现象，可以推测该天体在不断的远离我们。这种被观测天体的光谱中红色线条渐变为更深的现象，也称之为“红移现象”。

通过对某些地球上的物质样本进行光谱分析，可以快速确定样本成分及构成比。譬如我们可以通过在太空中观测并分析被大气过滤后太阳光光谱的方法，快速检测大气中的臭氧浓度，水蒸气浓度（湿度），甚至还可以用来测空气污染中微粒的尺寸。然而，由于在实践中有许多更好的方法（化学方法）来替代上述过程。因此除了在一小部分领域，光谱分析技术并不是非常流行。

值得一提的是，雷达枪及红外线测温仪本质上都是一个具有特定并且单一功能的光谱分析仪。

然而，到了天文学领域，光谱学便有了广阔的应用，因为天文学家们并没有什么更好的研究工具替代它。动物学家可以去闻标本的味道，电气工程师能体验到电击，然而天文学家只能死死的凝望天空，以及测量光谱。即便对于未知行星的发现，也是通过观测该行星围绕其母恒星转动时所引发的母星位移时导致其光线发生红移和蓝移来发实现的。而对于太空中的许多星云和气团的发现，则是通过观察其他天体发出的光线透过这些物质时产生的吸收光谱来实现的。

并且实际上所有的我们所了解的关于太阳系外（任何超出了“快看那个星星！”）的知识，都是基于观谱学技术发现的。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. askamathematician- The Physicist

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