约瑟夫·冯·夫琅禾费

十九世纪初的欧洲，最好的光学玻璃出在巴伐利亚山里一座停用的修道院。造它的人没上过大学，十二岁成了孤儿，十四岁被一场塌方埋在慕尼黑的废墟里。他一生做的事，用他自己的话说，只是「顾及那些看来与实用光学有关的」——而其中一件，开出了整门天体物理学。

十二岁的孤儿，和一场塌方

1787 年 3 月 6 日，夫琅禾费生在多瑙河边的施特劳宾，是玻璃匠师傅弗朗茨·夫琅禾费的第十一个孩子。母亲死于 1797 年，父亲次年也死了。十一二岁的他被送到慕尼黑，在镜片磨工魏克塞尔贝格尔手下当六年学徒——那是磨镜子的活，不是读书的活。

1801 年 7 月，师傅的房子塌了。废墟里，只有夫琅禾费被活着挖出来，一根粗横梁在他头上架成了一个空腔。这场事故在慕尼黑成了新闻，因为选帝侯马克斯·约瑟夫亲自到了现场指挥救援，事后给了这个从瓦砾里刨出来的男孩 18 杜卡特。

这笔钱改变了一切：他买下一台磨镜机，又赎出了剩下的学徒年限。围观的人里还有一位宫廷参事约瑟夫·冯·乌茨施奈德，此后源源不断地给他送数学与光学的书。1806 年，夫琅禾费进了乌茨施奈德与赖兴巴赫合办的数学-精密机械研究所；次年光学部分搬到本笃博伊伦一座世俗化后空出来的修道院里，那里有充足的木柴和不受打扰的炉火。

一把颜色的尺子

他要解决的是一个非常具体的工业问题。

消色差透镜的原理伏在那里已经半个世纪：把冕牌玻璃的凸透镜和火石玻璃的凹透镜贴在一起，两种玻璃的色散互相抵消，红光和蓝光就能聚到同一点。可实际做出来的镜头总是不合格，因为没人知道手上这块玻璃的折射率究竟是多少。

测折射率要用最小偏向角法，这一步不难。难的是「测哪个颜色的折射率」：白光穿过棱镜出来是一条连续渐变的彩带，你指不出任何一个可以反复认定的位置。于是玻璃厂只能靠试错——磨一对镜片，装上，看，不行就重来。

夫琅禾费自己写下了当时的窘境：在发现暗线之前，他判断两块玻璃折射率是否相同，办法是把两块粘起来磨成一个棱镜，看两个光谱有没有错位；发现暗线以后他才知道，用这种办法看不出差别的两块玻璃，折射率其实可以差很多——同一口坩埚里，炉底和炉面的玻璃不一样；同一块玻璃板上切下的两片也有明显差别。

574 条暗线

1814 年，他先做的其实是灯焰。油灯的光谱里，橙黄区有一条明亮的细线，位置极稳定，他把它记作 R。这是一个天然的标记——如果日光里也有同样的亮线，问题就解决了。

于是他把装置对准太阳：暗室窗板上开一条宽约 15 角秒的竖缝，24 英尺外架一台经纬仪，仪上放一块顶角 60° 的火石玻璃棱镜，用经纬仪自带的小望远镜去看。他自己的记述是：

我本想看看日光的色像里是否也有灯光色像中那样一条亮带，结果找到的却是几乎数不清的强弱竖线，比色像其余部分都暗；有些看上去几乎全黑。

接下来的两年，他做的是一件在当时几乎没人觉得有意义的事：给这些暗线编号、定位、量角度。最强的那些被标上 A、B、C、D、E、F、G、H、I 和小写的 a、b；他真正测了折射率的是其中七条。至于总数，他按区间一段一段地数过去——B 与 C 之间 9 条，C 与 D 之间 30 条，D 与 E 之间约 84 条，F 与 G 之间约 185 条，G 与 H 之间约 190 条——仅在 B 与 H 之间就数出约 574 条。

他还做了一连串对照实验来证明这些线是真的：改变缝宽、改变经纬仪与缝的距离、换棱镜的材料与顶角，线的相对位置纹丝不动。缝开到 40 角秒时细线会全部消失，开到 1 角分连粗线也糊掉——这说明的恰恰是它们极细。结论写在论文里，也是他留下的最有分量的一句话：这些线与带源自太阳光本身的性质，不是衍射或错觉造成的。

有一处他离终点只差一步：他明确指出灯焰那条橙黄亮线 R 与日光里的暗线 D 位置完全重合，后来还发现灯焰的亮线本身也是极细的两条，强度与间距与暗线 D 那一对一模一样。今天我们知道，那就是钠。但他没有往下追。他在论文结尾说明了原因：

在我所有的实验里，因为时间不够，我主要只能顾及那些看来与实用光学有关的事情。

这不是谦辞。他手里有一家玻璃厂。发现暗线之后，他能做到一炉 400 磅火石玻璃，炉底和炉面取样的折射率完全一致——这是暗线对他的全部价值，也是当时任何一家欧洲玻璃厂都做不到的事。史学家杰克逊那篇论文的标题说得直白：《买下太阳光谱里的暗线》。

暗线为什么会在那里，要等四十五年后的基尔霍夫与本生。

金星、天狼星，和第一次看见别的太阳

不过他还是往外多看了一眼，而这一眼分量极重。

1814 至 15 年那篇论文里已经写着：把仪器直接对准金星，看到的暗线与太阳的完全相同，D、E、b、F 都在原处；而对准天狼星，看到的却是三条宽带，一条在绿区、两条在蓝区，「与太阳光谱里的那些似乎毫无关系」。其他一等亮星也有带，而且彼此之间也不相同。

1823 年他用更大的仪器重做了一遍：火星与金星的谱线与日光一致；北河二的绿区带与天狼星位置完全相同；北河三、五车二、参宿四则在日光 D 与 b 的位置上有相同的线。

这几行观测记录是恒星光谱学的起点。行星发的是反射的日光，所以谱相同；恒星是别的太阳，所以谱各不相同——把星按光谱分类、测它们的成分、测它们的运动，全部从这里开始。一百年后佩恩判定恒星主要由氢构成，用的仍是这条路。

用光栅量出波长

1821 年他换了工具。

暗线的位置原本只是角度，是相对某块特定棱镜的读数。要把它变成一个不依赖任何玻璃的绝对数值，需要衍射：他在矩形框两端各车一道每巴黎英寸约 169 牙的细螺纹，把约 260 根金属丝嵌进螺纹里绷紧，丝径与间隙都用量具量过，栅距约 0.159 毫米。

光栅的好处是，栅距是一个可以用机械直接量出来的长度。于是量角度就等于量波长。他给出的结果今天看仍然漂亮：C 线（氢 α）他测得 656.4 纳米，今值 656.28；D 线（钠）588.8，今值 589.3；F 线（氢 β）484.3，今值 486.13——整体精度约千分之一。光的波长从此是一个有确切数值的物理量——这件事后来支撑起了干涉计量、米原器的光学定义，直到今天用激光波长定长度的整套体系。

他并不满足于金属丝。他先在镀金箔的玻璃上刻线，做到线距 0.00114 英寸时金箔会被整片刮掉；改在极薄的油脂层上刻，线距能减半；最后用金刚石配一台专门造的刻线机直接刻在玻璃上，机器自动计数，他举过的一块光栅共 3601 条线。现代光栅制造就是从这台机器开始的。

两点需要说清楚，因为常被写混：光栅方程与「夫琅禾费衍射」这个名字，理论都不是他建的——波动说的干涉原理出自杨与菲涅耳，远场衍射公式是后人以他的名字命名的荣誉。他自己在 1821 年那篇里也写得很坦白：这些从实验总结出的定律，可以由波动的原理导出，「每一种颜色的光的一次振动的大小，都能用一条极简单的方程表示」。他的位置不在理论那一侧，而在把理论变成能出数的仪器这一侧。

多尔帕特的大镜子

他造的望远镜同样把整个行业推了一代。

玻璃熔炼的搅拌法是瑞士人吉南带进本笃博伊伦的，夫琅禾费接手后加以改进，并系统提纯原料，使大块火石玻璃第一次能稳定地做到均匀。物镜口径从 1812 年的 83 毫米，一路做到多尔帕特大折射镜的 244 毫米（9.6 英寸）——1824 年交付多尔帕特天文台的施特鲁维，是当时世界上最大最好的折射望远镜，也是第一台成功的德式赤道装置，带精密钟驱，能自动跟住一颗星。施特鲁维用它编出了 3112 对双星的星表。

还有一台更要紧。1824 年他的工场开工制造柯尼斯堡天文台的量日仪，口径 157 毫米；他 1826 年去世后，由梅尔茨与马勒完成，1829 年交货。贝塞尔用这台仪器在 1837 至 38 年测出天鹅座 61 的视差 0.31 角秒——人类第一次量出一颗恒星的距离。

配方随他入土

1823 年他当选科学院正式院士，同时受聘为教授兼物理陈列馆馆长；1824 年受封巴伐利亚王冠功勋勋章骑士，从此名字里有了那个表示贵族身份的「冯」。1826 年 6 月 7 日，他死于肺病，三十九岁——长年守着熔炉呼吸重金属蒸气的代价，多半也算在里面。

他生前，光学玻璃的配方一直被研究所当作商业机密封存着；攥着这份机密的人是乌茨施奈德，不是他。据史料，乌茨施奈德在他弥留时派人到病榻前记录制法，可仅凭那份笔记，后来再也做不出同样质量的棱镜与透镜。英国人用数学、实验加上行贿，同样没能复制出来。

保密让巴伐利亚的玻璃垄断了欧洲市场几十年，也让同时代的学界很长时间把他看成一个手艺人而不是研究者——一个替天文学家磨镜片的工匠，顺带在光谱里看见了一些线。

慕尼黑老南墓园里，他的墓碑上刻的原话只是「纪念光学师约瑟夫·夫琅禾费先生」。多年之后，国王路德维希一世命人在望远镜纹饰下方加刻了一行拉丁文：

Approximavit sidera——他拉近了星辰。