氢的低语（上）|
1835年，法国哲学家奥古斯特·孔德（1798-1857）曾断言，人类永远无法知道恒星的化学成分。这个说法听起来很有道理——毕竟，没有人真正拿到过一块恒星的碎片，拿去做化学分析。
但孔德错了。如今，我们对恒星表面化学成分的了解，甚至超过了对地球内部的了解。这是怎么做到的？
孔德发表言论二十年后，两位德国科学家古斯塔夫·基尔霍夫（1824-1887）和罗伯特·本生（1811-1899）证明了一件事：只需研究物体发出的光，就能远距离测定它的化学成分。他们把材料加热到发光，再用棱镜分析发出的光。
棱镜会把光分解成一道道颜色，像一条微型彩虹。但和天空中的彩虹不同，天空彩虹是从红到紫连续的颜色；而他们研究的光，只包含某些特定的颜色。他们发现，这些颜色组合——也就是我们现在说的"光谱"——是每种材料独有的特征。
比如，钠会在光谱的黄色区域发出两条很窄的光线。这种窄光被称为"谱线"。
再比如锂，会在红色区域发出一条很强的谱线。每种化学元素都有自己独特的光谱，就像一个专属的条形码。
根据光源的条件不同，谱线可能显示为亮线，也可能显示为暗线。基尔霍夫和本生分析太阳光的光谱后发现，在黄色区域出现了两条很窄的暗线，正好对应钠的谱线。这就证明了太阳中存在钠元素。
这门新兴学科——光谱学——让人类得以逐步测定越来越遥远天体的化学成分。它还有一个非常直观的实际应用：制造烟花。烟花绽放时的绚丽色彩，正是因为燃烧材料中含有特定的盐类。
宇宙的氢
那么，我们不妨大胆地问一句：整个宇宙的化学成分是怎样的？
人们最初的直觉，往往是宇宙的化学组成应该和我们人体差不多。人体大约96%的重量，只由四种元素构成：氧、碳、氢、氮。其中氧占比最大，达到65%，这主要来自构成我们身体的大量水分。
但和孔德的例子一样，这个直觉也是错的：宇宙的化学组成和我们完全不同。我们和宇宙确实都由元素周期表上的元素组成，但比例却天差地别。
1925年，英裔美国天文学家塞西莉亚·佩恩-加波施金（1900-1979）利用当时已有的恒星和宇宙星云光谱数据，证明了宇宙主要由氢和氦构成。这两种元素是最简单也最丰富的化学元素。
其他所有元素的含量都极其微小，尽管其中不少对生命而言不可或缺。
研究宇宙先懂氢
但要研究宇宙，我们首先必须深入了解氢。
氢，是原子最简单的形式。它的中心是一个带正电的质子，周围环绕着一个带负电的电子，像一团弥散的云。原子是电中性的，也就是说质子数必须等于电子数。
正常情况下，电子处于基态轨道，离质子比较近。如果氢气足够热，电子就能获得能量，跳到更远的轨道上。之后，电子会逐级跌落到更靠近质子的轨道，最终又回到基态。电子每往下跳一级，原子就会以光的形式释放能量，而且这束光有特定的颜色。
这种释放出来的光，被称为"光子"——可以理解成一小包能量，以波的形式存在。光子的特征由它的"颜色"决定，更准确地说，是由它的波长决定，也就是相邻两个波峰之间的距离。
对于可见光光子来说，波长极其微小。比如红色光子的波长大约是650纳米，只有一根头发丝宽度的百分之一。而一纳米，等于十亿分之一米。
我们的眼睛只能捕捉到波长从650纳米（红色）到400纳米（紫色）之间的光子。但实际上，还存在波长比这大得多、也小得多的光子。给我们拍X光片用的X射线，波长只有0.03纳米；相比之下，调频广播（FM）的波长则长达3米左右。
氢原子的能级是分层编号的：1代表基态，之后依次是2、3……以此类推。举个例子，当电子从第4能级跌落到第2能级时，会产生一个波长486.1纳米的光子，处于蓝色和绿色的交界处，呈现出一种偏蓝绿的青色调。
这种电子在不同能级间跃迁产生的谱线，早在1853年就已被人观测到。到1885年，瑞士数学家约翰·雅各布·巴尔末（1825-1898）找到了一个公式，说明这些谱线正是氢原子不同能级之间跃迁所产生的。
而早在1862年，瑞典天文学家安德斯·约纳斯·埃格斯特朗（1814-1874）就已经在太阳光谱中发现了这些谱线。
也就是说，从19世纪中叶开始，人类就已经能够研究地球之外的氢元素了。
但这种研究方法，只有在氢气非常炽热的情况下才有效——温度要达到几千摄氏度以上，比如恒星表面的环境。问题在于，科学家们当时就怀疑：太空中大部分的氢其实非常寒冷，电子几乎都停留在基态，似乎根本无法发出光子。
看起来，我们似乎永远无法研究那些被认为大量存在于太空中的冷氢——它就像一个看不见的幽灵。
认知再次被修正
但事实再一次证明，我们又错了。
（未完待续）