化学是研究原子如何结合形成新材料的学科。下一章我们会一起来了解地球表面是如何成为供化学反应发生、组合形成许多新元素的绝佳环境的。
超新星天文化学家研究什么呢？
光是宇宙中的伟大奥秘之一。还记得第2章中我们对光的定义吗：没有质量的能量。科学家称之为电磁辐射，即以波的形式在真空中传播的电场和磁场。光的传播不需要任何物质媒介。而且，如果光穿过物质媒介，比如玻璃，它的速度会慢下来。
阿尔伯特·爱因斯坦证明，光可以理解为在真空中传播的波，速度恒定，每秒几乎是30万千米（约18万英里）。他还指出光也可以理解成一个个独立的能量包，即能量的粒子。但实际上，他证明了光既不是粒子，也不是波。它到底是什么要看具体的环境。正是从这个想法出发，爱因斯坦打开了量子世界“无常”的大门。
早于爱因斯坦很久，牛顿第一个证明了光包含不同的颜色。光经过三棱镜（三角形玻璃）后，其波长会被分散开，呈现不同颜色组成的光谱。光谱中波长最长的是紫色（红色），中间是绿色，波长最短的是蓝色。
要想研究来自恒星的光，由于光源太远，星光比地球上的光要弱得多，必须得发明比棱镜更复杂精密的仪器。1814年，德国玻璃工人约瑟夫·冯·弗劳恩霍费尔（Joseph von Fraunhofer，1787—1826）就发明了这样一种仪器，叫作“分光镜”。现在，人们把分光镜装在望远镜上，观察者可以看到来自恒星的可见光被分散成不同的波长。这一进步使天文学转变成了天体物理学。
借助分光镜，科学家研究发现，来自遥远恒星和行星的光，与地球上的光包含相同的颜色。跟有些人猜想的一致，在其他行星和恒星上，也不存在任何新的颜色。
但是分光镜所呈现的光谱颜色确实带来了出人意料的新发现：吸收线。这是一种有着奇怪模式的细黑线，出现在光谱中的特定位置。它们看起来就像是在商店购买的商品包装上的条形码。虽然来自恒星的光与地球上的光具有同样的彩虹中的色彩，但恒星光中还多出了暗色的吸收线。（参见http://astronomy.swin.edu.au）
1900年左右的分光镜
观察者借助分光镜，能够通过透镜和棱镜看到燃烧的元素产生的气体。光谱中的黑色线条和其他颜色形成鲜明对比，可以确定是哪种元素。从光谱可以看出，钢瓶中燃烧的元素是钠。
进一步的研究表明，地球上的光也有暗色的吸收线。通过研究地球上的光的“条形码”，科学家发现，造成“条形码”的是不同的化学元素。比如，钠就会在光谱中的黄色部分显示出明显的吸收线。
每一种元素因其电子轨道不同，都会对光产生特有的效应。每种元素的原子都会产生由线条、间隙和颜色构成的特色鲜明的“条形码”。这就意味着，不论是哪颗恒星，天文学家通过观察它发出的光，就能确定上面存在哪些元素。结果，他们发现恒星并不都是一样的，这让他们感到非常吃惊：有些恒星包含的元素与其他恒星并不相同。由于每颗恒星都会共同具有几种不同的元素，其吸收线往往乱作一团。不过，观察者已经找到了理清这些吸收线的方法。
在地球上以及银河系中的恒星上，因存在不同元素造成的吸收线，在光谱中以同样的形式排列。
然而，等待天文学家的还有另一个惊奇。19世纪末的时候，当时天文学家维斯托·斯莱弗（Vesto Slipher，1875—1969）正在亚利桑那州弗拉格斯塔夫市的一个天文台工作。他发现，星云的谱线排列，呈现向光谱中红端移动的现象。吸收线的排列模式相同，但是位置与预期的位置看起来似乎出现了移动。如果吸收线朝向红端（波长较长）移动，那就意味着该星云正在远离地球。如果吸收线朝向蓝端（波长较短）移动，那就意味着星云正在接近地球。而谱线间隔的模式则保持不变。吸收线朝红端移动的现象叫作“红移”。
红移意味着什么？这是多普勒效应的一种表现。这种效应在声波中的表现大家比较熟悉。
光和声音都以波的形式传播，波峰与波峰之间的距离就是波长。波的频率是指单位时间内出现的波峰数。
声音传播的速度比光慢得多。这一点通过观察一下看到闪电之后多久听到雷声就能了解。如果发生闪电的地方很远，看到闪电几秒钟之后，雷声才传过来。
朝你开过来的救护车或警车的鸣笛声听起来声调更高一些。一旦从你身旁经过，其声调就降低了。之所以会这样，是因为拉着警报声的车辆朝你前进的时候，声波会被推得更紧密（短），而离开之后，声波则被拉得更长。换句话说，声波的频率发生了改变，而你的耳朵感知到了前后之间的差异。
光波也有类似的效应。光在远离我们的时候，其波峰的频率被拉长，被拉伸到偏向波长更长的红色。如果是朝我们接近，波长就会变短，朝较短的蓝色偏移。
由此，天文学家意识到，光线朝光谱的红端移动的遥远星云，应该是正在离我们远去。哈勃和其他天文学家发现，星云越远，它们随着宇宙膨胀远离的速度越快。这一发现，是借助分光镜的研究获得的，也为宇宙大爆炸理论（参见第2章）奠定了基础。分光镜是使讲述大历史成为可能的最重要的发明之一。
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