约瑟夫·冯·夫琅和费

约瑟夫·冯·夫琅和费（Joseph Ritter von Fraunhofer/ˈfraʊnˌhoːfɐ/，1787年3月6日-1826年6月7日）是德国天文学家、物理学家、光学专家、^[3][13]巴伐利亚科学院院士、^[14]慕尼黑科学院院士、慕尼黑科学院物理陈列馆馆长及慕尼黑大学教授。^[7]夫琅和费被誉为“天体光谱学之父”与“天体物理学之父”。^[15]

1806年，夫琅和费在慕尼黑赖兴巴赫（Reichenbach）、乌茨施奈德（Utzschneider）^[16]和利勃海尔（Liebherr）经营的数学机械研究所（Mathematical Mechanical Institute）担任配镜师。^[5]1814年，夫琅和费发现太阳光谱中存在576条吸收线，^[17]被称为“夫琅和费谱线”。^[2][8]1817年，夫琅和费制成一架优质望远镜。^[18]同年，夫琅和费入选巴伐利亚皇家科学院通讯院士。^[5]1821年，夫琅和费发布平行光单缝衍射的研究成果，被称为“夫琅和费衍射”。^[6]同年，夫琅和费制成世界上第一块光栅。^[6]1822年，35岁的夫琅和费获得德国埃尔朗根-纽伦堡大学的“名誉博士"头衔。^[19][12]从1823年起，夫琅和费担任慕尼黑大学教授和慕尼黑科学院院士。^[2][17]1824年，国王马克斯一世约瑟夫任命夫琅和费为巴伐利亚王室公务员，并赐予其骑士勋章，夫琅和费因此成为贵族和慕尼黑荣誉市民。^[5][7]1826年，夫琅和费因肺结核去世，年仅39岁。^[20]

夫琅和费曾发明折射望远镜、分光镜^[10]及衍射光栅等，^[21]他在光学领域的贡献，不仅使他成为当时世界光学仪器的制造专家，也使巴伐利亚取代英国，成为当时世界光学仪器工业中心。^[15]德国研究组织弗劳恩霍夫应用研究促进协会（Fraunhofer Gesellschaft）以夫琅和费的名字命名，是欧洲最大的应用科学研究机构。^[22][23]

夫琅和费于1787年3月6日出生在德国巴伐利亚州东部的施特劳宾一个贫穷的玻璃工人家庭，^[4][6]其父亲名为弗朗茨·泽弗（Franz Xaver），母亲名为安娜·玛丽亚·夫琅和费（Anna Maria Fraunhofer）。^[5]夫妻俩共育11个孩子，夫琅和费年龄最小，^{[3][6][24][8]}他从小跟着父亲学习磨制玻璃。^[8][17]

夫琅和费聪慧好学，但仅上了几年小学。^[25]在10岁和11岁时，他先后失去母亲与父亲，成为孤儿。^[1]为了谋生，夫琅和费在慕尼黑一位镜子制造商和装饰玻璃切割师菲利普·安东·魏克塞尔伯格（Philipp Anton Weichselberger）开办的玻璃行当学徒，受尽魏克塞尔伯格的欺负。^[5][26]

1801年7月21日，^[26]玻璃行的小楼突然倒塌，魏克塞尔伯格一家及其他职员均被砸死，只有夫琅和费幸免于难。^[5][25]在这场灾难救援中，夫琅和费认识了枢密院议员约瑟夫·冯·乌茨施奈德（Joseph von Utzschneider）^[16]和选帝侯（后来的巴伐利亚王国国王）马克西米利安四世·约瑟夫。^[5]马克西米利安·约瑟夫（Maximilian Joseph）亲自到医院看望夫琅和费，^[15][26]并赐予夫琅和费18枚达克特（ducat，古代欧陆通用金币），足够他购买一套玻璃加工机和一些书籍。^[26]

1806年，技艺娴熟的夫琅和费成为慕尼黑赖兴巴赫（Reichenbach，发明家和设计师）、乌茨施奈德（Utzschneider）和利勃海尔（Liebherr）共同经营的数学机械研究所配镜师。^[5][27]夫琅和费在研究所技术前辈路易斯·吉南德（Louis Ginander）的教导下，逐渐提高了磨制玻璃的理论水平及操作技能。^[18]1807年，夫琅和费与吉南德合作制成了口径达24厘米的优质光学玻璃，并将其安装在长为4.3米的折射望远镜上。^[28]1808年，夫琅和费在研究所下属的贝内迪克特博恩（Benediktbeuern）玻璃厂担任玻璃研磨工，同时发表他的第一篇学术论文。1809 年，夫琅和费负责贝内迪克特博恩玻璃的生产全过程。^[5]

1814年，夫琅和费接任玻璃厂总负责人。^[5]同年，夫琅和费发现太阳光谱中存在576条吸收线。他不仅测出了谱线的位置，还用英文字母A、B、C、 D等为谱线命名，该命名至今仍被使用，^[17]被称为“夫琅和费谱线”。^[2][8]1817年，夫琅和费创制了一架优质望远镜，并于1824年被俄国人买走。^[18][28]该望远镜从最初安装在多尔巴特^[注1]天文台后，又转移到了普尔科沃天文台。^[18]1817年，夫琅和费入选巴伐利亚皇家科学院通讯院士。^[5]他所研发的优质光学仪器使巴伐利亚超越了英国，成为光学行业的中心，^[1]就连英国物理学家迈克尔·法拉第 （Michael Faraday）也佩服不已。^[29]1819年，数学机械学院搬迁至慕尼黑。^[5]

在衍射领域，夫琅和费先后研究了单缝和多缝。^[8]夫琅和费不仅运用衍射现象测量暗线的波长，还于1821年发布了平行光单缝衍射的研究成果，被后人称为“夫琅和费衍射”。^[6]同年，夫琅和费制成了世界上第一块衍射光栅^[注2]。^[6]后来，夫琅和费大量运用衍射光栅来研究光谱，这是他的功绩。^[2][8]1822年，35岁的夫琅和费获得德国埃尔朗根-纽伦堡大学的“名誉博士"头衔。^[19][12]

从1823年起，夫琅和费担任慕尼黑科学院物理陈列馆馆长、^[7]慕尼黑大学教授和慕尼黑科学院院士。^[2][17]他主要研究物理光学和应用光学，并在研究色散和制作消色差透镜（发明磨制消色差透镜的机器）等方面做出了很大贡献。比如，夫琅和费不仅制造了大且纯的火石玻璃和冕牌的玻璃样品，还发明了精密确定透镜形状的方法，这对发展应用光学产生了重要影响。此外，夫琅和费还制成了分光计、消色差显微镜、目镜测微计和量日仪等光学仪器。^[8]1824年，国王马克斯一世约瑟夫任命夫琅和费为巴伐利亚王室公务员，并赐予他骑士勋章，使他成为贵族和慕尼黑荣誉市民。^[7][5]后来，英国及丹麦也赐予夫琅和费荣誉称号。^[19]

由于夫琅和费长期接触玻璃工艺必需的重金属蒸汽，^[1]1825年，夫琅和费不幸患上肺结核。^[20]1826年，夫琅和费在慢性中毒与肺病的折磨下离世，年仅39岁。^[1]为纪念夫琅和费，人们在他的墓碑上刻上了望远镜和太阳，并在墓前的石制花盆上刻下“Approximavit sidera”——“他使星星变近”。^[15]

夫琅和费在光学领域做出了较大贡献，比如他发明了折射望远镜、分光镜、衍射光栅及发现太阳光谱暗线等。^[30][10][21]夫琅和费专注于研究物理光学，他磨制了许多优质的玻璃棱镜，他的工厂也为欧洲各大天文台制作了许多光学仪器。^[17]由于夫琅和费采用了新的发明和改进方法、装置及制作透镜的测量仪器，1811年以后，夫琅和费通过他对于熔化玻璃工作的管理权，生产出了没有脉纹的火石玻璃和大块的冕牌玻璃。他对于各种透镜准确计算方法的发明，不仅完善了消色差望远镜的设计，也将实用光学引向一条新道路。^[31]

1817年，夫琅和费磨制了一架优质望远镜，该望远镜的直径为24厘米，后被俄国人买走，并被安装在多尔巴特（今爱沙尼亚共和国境内）天文台，后又被转移到普尔科沃天文台。^[30]

这架望远镜不仅是现代望远镜用来跟踪天体周日运动的机械装置转仪钟的雏形，也是当时最好的天文望远镜，它具有三个优势：第一，它可以省去经常抛光的麻烦；第二，它被安装在一根可以上下移动的轴上，其轴又安装在一个可以在水平方向随意转动的轮子上。所以，这架望远镜只需用手轻轻一推，就可以调节到任何位置；第三，夫琅和费为这架望远镜安装了自动跟踪系统。他首先将望远镜调节到一定的赤纬^[注3]，然后将望远镜固定好，再利用钟表的机械装置带着望远镜缓慢移动，其移动速度与地球的自转速度相同且方向相反，可使望远镜始终对准同一个目标。^[30]

夫琅和费为他的公司生产了很多光学仪器，比如俄罗斯帝国天文学家奥托·威廉·冯·斯特鲁维（德语：Otto Wilhelm von Struve）使用的夫琅和费多尔帕特天文台的折射望远镜及德国天文学家弗里德里希·威廉·贝塞尔（Bessel，Friedrich Wilhelm）使用的量日仪，这两者都用于收集恒星视差数据。^[32]其中，斯特鲁维曾使用这架望远镜发现一大批新的双星。^[30]

夫琅和费是世界上第一个研究恒星光谱的人。他在磨制透镜的过程中，十分关注光的各种折射情况及各种玻璃的折射特性。1814年，夫琅和费研制成功一架可以观看天体光谱的仪器-分光镜。这架分光镜意义非凡，它包括一个狭缝、一块棱镜、一架可以把天体的光线聚焦在狭缝上的小望远镜及一个可以精确测量光线折射角度的装置。^[10]

1814 年，夫琅和费发明了现代光谱仪-分光镜。^[10]通过长期观察分光镜，夫琅和费在太阳的彩色连续光谱上数出了大概576条粗细不同且分布不均匀的暗黑线。^[2][10]夫琅和费使用不同的字母符号来区分这些暗黑线，并详细记录了暗黑线的位置。^[10]这些暗黑线被称为“夫琅和费谱线”。^[2][8]

夫琅和费曾在大概所有研究过的光谱橙色区域发现一条非常强的双重谱线（明线），甚至金属钠化合物的火焰里也产生过这条谱线，它们的位置恰恰和太阳光谱里那两条相隔很近的暗谱线相同。^[34]

夫琅和费还发现月亮和一些行星的光谱上的暗黑线的位置等特征也与太阳光谱相同，这项观测结果表明月亮和行星主要依靠反射太阳光来发亮；另外，夫琅和费运用分光镜指向一些较亮的恒星，^[10]他发现太阳光谱与天狼星等恒星的光谱模式不同。^[35]

1785 年，美国天文学家黎顿豪斯（Ritten house）发明了世界上第一块衍射光栅。^[21]

1821年，夫琅和费发表了平行光单缝衍射（即夫琅和费行射）的研究结果。夫琅和费第一个定量研究并制成260条平行线组成的衍射光栅，^[19]并对光谱的分辨率进行了实验。^[21]他使用衍射光栅测量光谱线的波长，^[19]为光的波动学说提供具有说服力的实验证据。同时，夫琅和费还探讨了光栅的周期误差、槽形和不透光区与透光区的相对宽度对光谱特性的影响，并提出平面光栅原理，由此推导出光栅的方程。^[21]

丹麦物理学家汉斯·克海斯提安·奥斯特（丹麦语：Hans Christian Ørsted）：“在诗歌和哲学界，最近几年我没有发现德国有什么新星升起，实验科学领域的情况亦是如此。柏林在这个领域里有出色的人才：塞贝克、埃尔曼、密切利希、亨里希等。但从柏林到幕尼黑的360英里的旅行中，我经过三个大学城，却没有发现一个完全可靠的化学家和实验物理学家。但在慕尼黑与夫琅和费的交往中，我受益匪浅。”^[38]

数学家和物理学家玛丽·索默维尔夫人（Mary Sommerville）：“在一个晴朗的早晨，沃拉斯顿博士到汉诺威广场对我们进行一次访问。他说，‘我发现了太阳光谱中的七条黑线，我想给你们表演看看’。于是，他关上窗户的百叶以便只留下狭小的光线。他把一个小小的玻璃棱镜放在我的手中，告诉我怎样使用它。因此我清楚地看到了它们。我如果不是最早的一个、也是第一批当中的一个看到他所表演的这些光谱线，它们是一系列最惊人的宇宙发现的起始，并且证明，我们地球上的许多物质也是太阳，恒星、甚至是星云的组成成分。沃拉斯顿博士给了我一个具有双倍价值的小棱镜，这是夫琅和费在慕尼黑制造的玻璃棱镜，夫琅和费黑线表如今已成为那门奇妙科学中的比较标准，这门科学是许多杰出人士的作品，本生和基尔霍夫使之臻于完善。”^[39]

夫琅和费的科学贡献促进了德国光学和光学工业后期的发展。比如，夫琅和费曾公开发表对光谱线及衍射光栅的研究成果，但保留了光学玻璃的制造、计算及检验方法等商业秘密，其中包括著名的大型9.5英寸折射望远镜及6.25英寸的柯尼茨堡太阳仪等。1838年，太阳仪由弗里德里希·威廉·贝塞尔（Bessel，Friedrich Wilhelm）测量E鹅61的光行差。^[40]

夫琅和费将其优良作风与实际的知识及理论相结合，他对光学知识与工艺技术的运用成为德国后代光学工作者和光学企业领先于世界各国的传世珍宝。夫琅和费的继承者包括19世纪德国光学家卡尔·蔡司（Carl Zeiss）和德国物理学家恩斯特·卡尔·阿贝（Ernst Karl Abbe）等十多位德国光学巨子。^[40]

为了纪念夫琅和费做出的贡献，人们将天体连续光谱上的暗黑线（吸收谱线）称为“夫琅和费谱线”。^[10][2]

1949年，德国成立了以夫琅和费名字命名的夫琅和费应用研究促进协会（更常见译名为弗劳恩霍夫应用研究促进协会），并成为欧洲最大的应用科学研究机构。^[23][22]

1987年，联邦德国发行了1枚纪念邮票，用来纪念夫琅和费诞辰200周年。该邮票的上半部突出了几条主要谱线的位置，下半部是太阳光谱和“夫琅和费谱线”，右上角则是夫琅和费本人的签名。^[41][42]