4.看不见的宇宙

定 义：在可见光狭窄的波长范围外，存在着各种波长的辐射。

发现历史：1800年，威廉·赫歇尔（William Herschel）发现了红外辐射的存在。

关键突破：1864年，詹姆斯·麦克斯韦（James Maxwell）发表了他将光描述为电磁波的著作。

重要意义：可见光以外的辐射揭示了宇宙中大量的高能和低能辐射相关过程的物理机制。

 

对于之前的物理学家来说，光的本质是一个长期存在的难题，但没有人能够想象到，可见光只是电磁波谱的一部分，电磁波谱的广阔远远超出了可见光范围。今天，这些高能和低能辐射提供了观测宇宙的新方法。

在1670年左右的英格兰，艾萨克·牛顿开始对光的本质进行一系列的研究。通过用棱镜和透镜将光分开，牛顿首次展示了颜色是光的内在属性，而白光是由多种颜色混合而成的。使用镜子组合进一步所做的实验使他确信，光是一束粒子或者“小微粒”。牛顿于1675年发表了他的理论，并在1704年的著作《光学》（Opticks）中发展了这一理论。

当时的一些科学家还有其他想法。牛顿的竞争对手罗伯特·胡克（Robert Hooke）于1665年发表了光是一种波的理论。在17世纪70年代后期，荷兰天文学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）也开始了自己的光学实验，实验显示的一些证据，诸如光的折射和衍射（弯曲和散开）以及光束不受影响地穿过彼此的能力，使得惠更斯确信光是一种波，并通过充满宇宙的“光以太”来传播。惠更斯于1690年发表了他的理论，在接下来的一个世纪里，这一理论的预测能力赢得了许多科学家的青睐。到了19世纪早期，英国科学家托马斯·扬（Thomas Young）提出了一项实验，最终驳斥了微粒理论，他的双缝实验揭示了由一对狭缝所分开的光波之间的干涉。

由美国国家航空航天局（NASA）的星系演化探测器（GALEX）拍摄的一个名为“木魂星云”的行星状星云的紫外图像，图像中间垂死恒星周围有大量不可见的热气体。

新型的光

此时，科学家们也开始意识到除了人眼能看到的光之外，还有其他类型的“光”。首次突破来自天文学家威廉·赫歇尔，他出生于德国，同时也是天王星的发现者。当赫歇尔使用棱镜测量阳光中不同颜色的温度时，他注意到从紫光到红光，测得的温度显著增加。赫歇尔又试着测量了超出光谱红端的明显未被照亮区域，结果证明这个区域是最热的。赫歇尔将这种新型辐射命名为“热量射线”，也就是我们现在所说的红外线。

一年后，德国化学家约翰·里特尔（Johann Ritter）从赫歇尔的发现中汲取灵感，在光谱的另一端发现了新的不可见光线。他的实验是测试不同颜色的光线影响银盐变暗的方式：实验表明，紫光比红光更能使银盐变暗，而超出光谱紫端看不见的“化学射线”，对银盐的影响最为显著。

与此同时，科学家仍在努力了解光的本质。1817年，法国物理学家奥古斯丁–让·菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel）提出光波是横波而不是纵波（即更像水波而不是声波），因为光波可以被偏振化（受到与其振动方向平行的狭缝的影响）。

电磁辐射

1845年，英国科学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）有了一个关键的发现，即偏振光会受到磁场的影响。这一发现启发了苏格兰人詹姆斯·麦克斯韦。1864年，麦克斯韦发表了光的电磁波解释——一对相互联系、相互垂直的电和磁的波动，会在它们穿越空间时互相加强。麦克斯韦的波动方程描述了波长和频率这一对相关的参数如何决定了光和不可见辐射的性质。方程表明，电磁波需要更大的能量来产生频率更高、波长更短的光，并且还预测了光速的精确数值。

麦克斯韦方程表明，红外线、可见光和紫外线只是连续光谱的一部分，物理规律并没有限制光波不能以更高或更低的频率存在，只要有合适的能量过程，就能产生这些极高、极低频率的光。当海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）于1888年发现微波（波长较短的无线电波）时，它们正好补上了红外线之外的光谱。但是X射线[由威廉·伦琴（Wilhelm Röntgen）于1895年发现]和伽马射线[由保罗·维拉德（Paul Villard）于1900年发现]的行为与光波相比似乎存在着天壤之别，因此它们并没有被立即与电磁学联系在一起。后来，X射线和伽马射线才被认为是电磁波谱延伸到比紫外线能量还高的那部分。

“（赫歇尔）注意到从紫光到红光的温度显著增加，这使得他试着测量了超出光谱红端的明显未被照亮区域，结果证明这个区域是最热的。”

观测不可见的光

地球大气吸收了来自宇宙的大部分非可见光的辐射，只留下少数几个透射窗口，让可见光和一些其他波段的光，包括近红外和一些无线电波，可以穿过窗口到达地面。早在1932年，美国工程师卡尔·央斯基（Karl Jansky）就意识到，每天出现的周期性无线电干扰与银河系在宇宙中的位置有关。等到太空时代的曙光出现之后，非可见光天文学才有了蓬勃的发展。从20世纪40年代后期开始，搭载在火箭上的传感器以及最终的卫星观测显示，天空中到处都是X射线和紫外辐射，它们来自比太阳更热、能量更高的天体。

与此同时，用于跟踪卫星信号的大型锅状天线也被证明是能够更加详细研究天文射电源的理想选择，研究表明这些射电源与冷的星际气体云等天体相关。红外领域的探索是最具挑战性的，它可以显示那些温度还没热到可以发出可见光的天体，比如褐矮星、行星和星际尘埃，但它很容易被望远镜和探测器本身的温度掩盖。结果直到1983年，第一架红外空间望远镜才发射升空[编注：准确日期为1983年1月25日，由荷兰（NIVR）、美国（NASA）和英国（SERC）合作发射]。红外天文卫星（InfraRed Astronomical Satellite，简称IRAS）在液氦冷却剂耗尽前只进行了短短几个月的观测，但却为以后的发展铺平了道路。

 

太阳光谱，其中不同波长和颜色的光被衍射光栅有效地分开，展现出如森林般密密麻麻的暗线，它们对应于太阳和地球大气中的原子和分子所吸收的能量。