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光谱分析：宇宙学原理的实证

天文学的第一性原理——宇宙学原理,只靠它自己还是没有办法支撑起整个天文学的。它还有两个重要的支点，一个是光谱分析，一个是距离测量。

第一个支点光谱分析，它是宇宙学原理的验证方法。如果没有光谱分析，宇宙学原理只能算是一个还不错的信念。第二个支点距离测量呢，它是宇宙学原理的推进器，距离测量到哪里，宇宙学原理才能应用到哪里。

 

我们先来讲光谱分析。  

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我们都知道天文学需要望远镜，有了望远镜才可以看到更远的地方。但是你可能不知道，天文学也有自己的显微镜，这个显微镜就是光谱分析。通过光谱分析可以跨越距离，直接看到各种天体上的元素构成。有了这个工具，宇宙学原理就能在元素层面上得到验证。

 

说到光谱分析，最开始是在化学领域里被使用，并且还真是把它当做了一种特殊显微镜。虽然通过普通显微镜可以看到更微小的东西，但是最多也就能看到细菌病毒这个尺度，再小就不行了。比如想分辨出不同的元素，那就很难。  

但是这并不代表我们无法了解到元素层面，其实只要通过光谱就能分析出来。原理呢，也很简单，本质上就是不同的元素会发出不同颜色的光。这个原理的应用我们肯定都见过，逢年过节放的烟火，为什么会是五颜六色的？就是因为在火药里面添加了不同元素。比如，绿色一般是加了铜元素，黄色是加了钠元素。  

不过，如果只是通过肉眼来分辨，那识别得肯定不准确。而且如果是多种元素混在一起的话，那就更分辨不出来了。不过仍然有办法，那就是让物体发出的光线通过一个三棱镜，这样原来混在一起的颜色就会发生折射，分散开了。  

这是牛顿最先发现的。当时他让阳光通过三棱镜，然后发现白光散开了，各种颜色的光按照彩虹的颜色给平铺开了。这个就是光谱，从红到紫过渡过去。在红色和紫色以外，其实还有肉眼看不到的光线，比如红外线和紫外线。颜色的本质就是光的频率嘛，所以光谱就是不同频率的光，按照频率的高低给排列了出来。  

如果用这样的方式去看某种元素，就比如氢元素吧，你就会发现它的光谱根本不是连续的，甚至只在很窄的一段频率上有光，大部分是黑的。其实不只是氢元素，任何一种元素的光谱都是这样的。它们由一组不连续频率的光组成，而且每个元素的光谱都不一样。所以，光谱就相当于元素的指纹，分析有多少种光谱就能知道有多少元素。  

而且，通过光谱不只能分析发光物体啊，不发光的也能分析。因为元素也是会吸收光的，而且是发射什么光就吸收什么光。所以，只需要看看经过它们的光都被吸收了哪些频段 ，也能分析出元素来。  

 

有了光谱分析那可就太好了。远处的恒星因为太远，即便是用哈勃望远镜，看到的也是一个点，看不出更多细节。但是有了光谱分析，那么就算是只有一个亮点，但是仍然可以通过三棱镜，看到它的光谱，看到了光谱可就相当于知道了它的元素构成。这就等于是一下子突破上亿光年，得到元素级别的信息。当然最初的三棱镜后来也升级换代成了更先进的光谱仪。  

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这太重要了，因为它给了我们一个从元素级别验证宇宙学原理的机会。  

第一次的实证就是来自于我们身边的太阳。太阳，虽然距离我们比较近，但是它与我们的地球太不同了。所以很容易让人产生怀疑，它真的和我们地球上的规律一样吗？  

别说，还真发现了不同。1868年，法国天文学家皮埃尔·让森在观察日食的时候，分析太阳大气层光谱时，发现了一种地球上从来没有见过的谱线。这就是说在太阳上有地球上根本没有的元素。再往深去想，既然基本元素能不同，是不是会有更多的不同呢？宇宙学原理还能随便用吗？  

最后肯定是没有否定宇宙学原理。而且，它反而还成了宇宙学原理的坚实证据。因为这个在太阳上发现的新元素，最后在地球上也发现了，只不过是含量特别少。这个元素就是氦元素。所以，别看太阳和地球看起来这么不一样，其实在元素上并没有本质不同，只是不同元素的数量不同罢了。  

而且这个验证的过程也并没有停留在太阳上。太阳只是宇宙中非常普通的一颗恒星，宇宙中这么多恒星，它们也都一样吗？提供了一张图，是十几个恒星的频谱图。一行就是一个恒星。不论它们的远近如何，大小有什么差异，亮暗有什么不同，它们的光谱都极其地相似。也就是说，宇宙学原理依然没有问题。  

 

其实不只是恒星，我们也通过光谱分析了很多太阳系内的行星，太阳系外的行星，甚至更远处的星系，宇宙学原理依然有效。

 

这还是在空间层面验证了宇宙学原理，光谱也在历史层面上为宇宙学原理提供了证据。也就是说我们现在和过去的宇宙相比，并没有什么本质的不同。  

天文学研究虽然在各个方面都困难重重，但是在一个方面却有着天然的优势，那就是对历史的研究。因为光的传播速度有限，所以我们在距离上看到的有多遥远，在历史上看到的就有多久远。  

比如，看到了一颗距离我们10光年远的天体，我们其实看到的是它10年前的样子。同样，如果是20光年，那么看到的就是它20年前的样子。所以，我们看到的距离越远，那么看到的历史也就越久远。  

所以对于远距离的天体，如果通过光谱分析，发现它们和我们没有本质区别，那其实宇宙学原理也就在时间上被验证了。  

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是不是觉得光谱分析太好用了，这样的话就能在全宇宙范围内证明宇宙学原理了。只要把天空中各个天体发射来的光线分析一下，看看光谱的样子，就能验证宇宙学原理，而且还是从远到近，从古至今都被验证了。  

不过很可惜，并没有这么简单。举个例子吧，在上个世纪五六十年代的时候，天文学家在天空中很多位置都发现了有一种非常特别的天体，分析它的光谱就会发现，和我们所有已知的元素都不同。当时差点就认为这会不会是什么新元素，不在元素周期表里面。  

当然了，最后还是发现了，这些非常特别的谱线并不是什么新元素，都是已知的元素，只不过是光谱发生了变形，也就是发生了红移。光线的波长都普遍被拉长了。  

什么意思呢？比如说吧，原来的紫光本来波长短，现在变成了波长长的红光。如果原来是波长比较长的红光，那拉长后就会变成红外线。所以，波长被拉长后，光谱的样子都会被整体向红色的方向发生移动，所以叫做红移。  

为什么会发生红移呢？或者说为什么光的波长会被拉长呢？如果你对天文学有一些了解的话，一定知道，原因就是宇宙膨胀。  

你可以想象一下，宇宙就是一个巨大的气球，一直在变大。假如，100亿年前从起点发出了一道光。这100亿年，宇宙可是膨胀了非常多的。光一边传，空间一边在膨胀。假如这道光就是气球上画的一道线的话，气球膨胀了，这条线也会被拉长。所以，传到我们这里，它就已经被拉长了很多了，也就是发生了红移。  

所以，在宇宙是膨胀的前提下，把红移的效果移除掉，宇宙学原理在整个宇宙都是有效的。而且，我们还可以分析光线红移的程度，也就是波长膨胀的程度。这样就能来推算出这个光线是多久之前发出来的，以及现在这个光源距离我们是多远。所以光谱分析还给我们带来一种非常有效的测量距离的方法。  

根据红移的特点，我们甚至知道了，宇宙大爆炸之后，发出的最早的光就是宇宙微波背景辐射。我们现在已知宇宙的年龄是138亿年，所以它已经经过了138亿年的膨胀。这么长时间，它已经红移得非常多了，已经变成了微波，波长达到了1毫米左右，比起它刚发射出来的时候已经膨胀了1000多倍了。

 

而且分析了整个天空的微波背景辐射，发现在宇宙诞生之初，整个宇宙各处的温度，几乎是处处相同的。差别最多不会超过十万分之一。这又给宇宙学原理提供了坚实的证据。  

就是靠着光谱这个工具，宇宙学原理不再是一个空中楼阁的信念，而是在元素层面都得到了验证。  

划重点  

1.光谱分析是天文学里的显微镜，能让天文学家隔着上亿光年的距离知道远处天体的元素构成。

2.天文学家对恒星和其他天体进行了光谱分析，在元素层面上验证了宇宙学原理，宇宙中的元素构成都是相似的。 

3.宇宙膨胀会导致光谱的红移，所以面对遥远的天体，要把红移消除后才能知道它的元素构成。同时，这也成为了一种非常有效的测距方法。  

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