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光的過去現在與未來：光學簡史

劉珈均・2015/02/02 ・1674字・閱讀時間約 3 分鐘・SR值 587 ・九年級

早在我們祖先的祖先還只是個單細胞生物時，就開始利用光的能量生存。人類無時無刻不受光的影響，對光的本質感到好奇，許多的哲學家、科學家也提出了各種假設來描述光的性質，人類對光的了解足跡，引領著文明進程。

到了17世紀，人們對於光的反射、折射等幾何性質已經相當了解，發展出光學儀器。1609年，伽利略使用自己改良的望遠鏡第一次看向夜空，觀測到木星的四大衛星以及月亮的表面坑洞。當時，人們普遍相信光的傳播不需要時間，但 1676 年丹麥天文學家奧勒．羅默（Ole Romer）利用木星遠離地球及接近地球時，木衛一的公轉週期變化測出了光的概略速度，同時證實了光的速度是有限的。

編按：1676 年 12 月 7 日奧勒．羅默（Ole Romer）測定光速的研究發表在《學者期刊》（Journal des sçavans），證實光速是有限的，而非無限。雖然羅默測量出的光速仍不是相當準確，但他是第一個想出如何測量光速的科學家。

望遠鏡打開人類的宇宙視野，同時代的虎克（Robert Hooke）則製作了顯微鏡，看到了「細胞」，為後來的微生物學奠下重要基礎；虎克的「死對頭」牛頓使用了稜鏡將光「分離」成不同顏色的色光，發展出光譜概念，光譜於19世紀開始應用在化學元素的發現以及天文學方面，至今仍是各項科學重要的分析工具，牛頓將自己對於光的研究著成了《光學》一書，其中的光微粒在17、18世紀成為了主流理論。在這之前，人們之所以沒有接受光的波動性概念，即是因為沒有確切地發現光的繞射及干涉性質，一直到托馬斯‧楊格（Thomas Young）的雙狹縫實驗才證實了光的波動性，同時測定了不同色光的波長，而光的干涉性質到了現在依然應用在許多高精度的測量上面。

在1865年，馬克士威（James Clerk Maxwell）發表《電磁場的動力學理論》，馬克士威方程組不只成功地用數學表達電磁的性質，更推導出電磁波的速度等同於光速。不過，此時出現了一個問題，所有波動的速度是相對於他們的介質而言，而光的介質為何？當時認為，光的介質是一種未被發現的物體稱為「乙太」，然而1887麥克生－莫雷實驗（Michelson-Morley Experiment）發現，即便地球本身正在高速運動，從任何方向測到的光速都是相等的，而這也是愛因斯坦相對論一項重要的基本條件。對於任何觀察者來說，所有的物理定律都是成立的，包含電磁波的速度，既然光速是固定的，意味著時間必須改變，這代表著要放棄「時間是絕對的」概念。

19世紀末，人們開始進行真空管與一連串的放射性實驗，因而發現了許多未知的輻射線，而這些輻射線對於20世紀的原子結構研究相當重要，特別是X射線。倫琴（Wilhelm Röntgen）實驗時無意中發現了X光，並發現它可穿透人體組織，留下骨頭的陰影圖像。但大家對X光的特性仍不甚了解，直至20世紀初，德國物理學家勞厄（Max von Laue）的晶格繞射實驗，確認它是一種波長極短的電磁波，其高穿透性現在仍廣泛用於醫療與探測功能。在勞厄之後，人們可以透過觀察X光通過物體時的繞射圖形推測結構，對生物學、化學等影響重大，例如1953年華生（James Dewey Watson）和克里克（Francis Harry Compton Crick）就是通過X射線繞射方法得到DNA分子的雙螺旋結構。

20世紀之前，人們已經普遍接受用波動的概念描述光的行為，但卻沒辦法解釋金屬被紫外線照射時放出電子的光電效應，一直到1905年愛因斯坦提出光的粒子性才解決這個問題，認為光的能量和它的頻率有關，這個突破性的想法不只解決了光電效應的難題，更催生出了量子理論。而光電效應也大量用於光電二極體、太陽能、雷射等科技上。

光與天文學幾乎密不可分，20世紀初期，人們依據光譜學觀測到了「螺旋星雲」的紅移現象，並且用都卜勒效應解釋這些「星雲」的運動，但當時並沒有辦法知道這些天體的距離，直到哈伯觀測到這些星系上的造父變星的光度變化，估測出了距離，發現距離我們越遠的星系，遠離我們的速度越快，進而推測出宇宙正在膨脹。而到了20世紀中期，藉由電波望遠鏡的發展，也發現了中子星、類星體、宇宙微波背景輻射以及星際間的有機分子，對於宇宙的歷史與結構才能有更深了解。

我們生活在一個離開不了光的世界。

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劉珈均

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PanSci 特約記者。大學時期主修新聞，嚮往能上山下海跑採訪，因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜，不是趕稿就是在屋頂看星星，一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。

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撰文｜許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機，也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種，讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹，大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引：標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後，我們終於要離開銀河系，開始量測銀河系以外的星系距離。在前作＜天有多大？宇宙中的距離（3）—「人口普查」＞中，介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠，發出來的光照射到的範圍就愈大，看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」，而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度，而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度，再搭配我們看到的亮度，很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說，我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書，得知這支路燈的光度，就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈，那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光（Standard Candle）」。可是下一個問題馬上就來了：我們哪知道誰是標準燭光啊？經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法，我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來，我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧！

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中，「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載：造父很會駕車，因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂，造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後，周穆王把「趙城」（現在的中國山西省洪洞縣一帶）封給造父，而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此，造父可是趙姓的始祖呢！（《史記‧本紀‧秦本紀》：造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂，造父為繆王御，長驅歸周，一日千里以救亂。繆王以趙城封造父，造父族由此為趙氏。）

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員（圖一），位於西洋星座中的「仙王座（Cepheus）」。一共有五顆恆星（造父一到造父五），清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆（造父增一到造父增五）。^[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克（John Goodricke，1764-1786）幼年因為發燒而失聰，也無法說話。1784 年古德利克（John Goodricke，1764-1786）發現「造父一」的光度會變化，代表它是一顆「變星（Variable）」。2 年後，年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。^[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化，變化週期大約是 5.36 天（圖二）。經由後人持續的觀測，發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質（週期、光譜類型、質量……等）與造父一接近，因此將這一類變星統稱為「造父變星（Cepheid Variable）」。^[5]

圖二：造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間，縱軸可以看成亮度。圖片來源：ThomasK Vbg^[5]

勒維特定律：週光關係

時間接著來到 1893 年，年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特（Henrietta Leavitt，1868-1921）她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林（Edward Pickering，1846-1919）為了減少人事開銷，將負責計算的男性職員換成了女性（當時的薪資只有男性的一半）。^[6]

這些「哈佛計算員（Harvard computers）」（圖三）的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據，然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說，她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提，這相當於現在時薪 9 美元左右，約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。^[6][7][8]

勒維特接到的目標是「變星」，工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星，包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到：這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關！愈亮的造父變星，變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠，可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後，就能得到一個「光度與週期」的關係（圖四），稱為「週光關係（Period-luminosity relation）」，又稱為「勒維特定律（Leavitt’s Law）」。藉由週光關係，搭配觀測到的造父變星變化週期，就能得知它的平均光度，能把它當作一支標準燭光！^[6][8][10]

圖四：造父變星的週光關係。縱軸為平均光度，橫軸是週期。光度愈大，週期就愈久。圖片來源：NASA ^[11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後，埃德溫‧哈柏（Edwin Hubble，1889-1953）就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星（圖五）。數個世紀以來，人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現， M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小，最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系，也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星，得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系，就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。^[10]

圖五：M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源：NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team ^[1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具，然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的，而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年，諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名，才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年，由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者，勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。^[12]