不同的原子有不同的光譜這件事，被美國科學促進協會列為所有公民必備的知識。
撰文│高涌泉(臺灣大學物理系)
原載於【科學人雜誌】2007.06.01
發射光譜可以用來確定材料的組成，因為在週期表上的每一種化學元素都有各自不同的發射光譜。例如，分析接收到的光譜可以確認恆星的組成。
前一陣子我在圖書館看到一本討論科學素養的書，內容是關於「所有（美國）學生在小二、小五、國二、高三等各階段末，對於科學、數學、技術等領域所應該知道、或有能力去做的事」。這類的書頗多，一般而言並無特殊之處，但這本名為《科學素養指標》（Benchmarks for Scientific Literacy）的書卻相當值得參考。它是由著名的美國科學促進協會（AAAS）所發表的，屬於「2061年計畫」（Project 2061）報告的一部份。這個研究計畫的目標是促進所有未來美國公民的科學素養，以便「有助於人們能過個有趣、負責、且豐富的一生」。
究竟什麼樣的科學知識能夠幫助人們有個美好人生，我當然感到好奇。書中所列的知識項目是眾多專家集思廣益的結論，讀來相當有意思。例如，書中對於美國學生在高中畢業後所應該具備的知識，在「能量轉換」這個主題之下，包含了這件事：「如果一個孤立的原子或分子的能量改變了，則這種變化乃是來自於能量從某個明確的值跳到另一個明確的值，其他的值都不可能。一旦原子或分子吸收了輻射或放出了輻射，其能量就會改變，因此，這些輻射也會有明確的能量。所以，個別原子或分子（例如在氣體中的原子、分子）所發射或吸收的光，可以用來判定這些發光的物質究竟是什麼東西。」
我看到原子會發光這件事，被美國科學促進協會列為所有公民必備的重要知識，當下就想起費曼講過關於他父親的一個小故事：
費曼父親是個小生意人，辛苦栽培費曼上了麻省理工學院（MIT）。有次費曼回家，他父親對他說：「既然你已經學了那麼多東西，有個問題我一直沒有弄得很懂，不知道你能不能解釋給我聽？」費曼當然很樂意為父親解惑。他父親就問：「我知道當一個原子從一個狀態轉換到另一個狀態時，它便會發射出一個稱為光子（photon）的光粒子。」費曼回說：「是的，沒錯。」費曼父親接著問：「那麼，這個光子是不是早先就存在原子裡，然後才跑出來？或者是，原子內一開始並沒有光子？」
費曼於是試著解釋光子的數目並不是一個固定不變的值，光子只不過是由於電子在運動，從而才創造出來的東西。費曼說：「我無法好好地對我父親解釋這件事，我說我所發出的聲音一開始並不是在我身體裡頭..但是他不滿意我的答案，他覺得我完全沒有解釋清楚他所不了解的東西！所以他並沒有成功：他送我去上大學，目的就是想了解他所不懂的這些事，但是他終究沒能找到（讓他可以理解的）答案！」
的確，沒有人能夠真正理解光子究竟如何從原子裡頭跑出來，物理學家能做的至多就是描述事件是如何開始的，以及事件可能會如何結束，例如計算出光子出現的機率有多大。至於中間過程到底是怎麼一回事，目前物理學家是無能為力的。
我不知道費曼的父親接受了多少科學教育，但在70年前，光子與能階的概念大約還不至於被列為基本科學知識，所以費曼父親在當時應算是相當先進的科學美國人。不過《科學素養指標》對於原子發光的敘述除了光子與能階之外，還包括了「個別原子所發射或吸收的光，可以用來判定發光的物質是什麼東西」。從大眾通識教育的角度來講，這項知識的重要性在於，我們可以從接受到的光，來判定在無數光年外的星球上的物質，其實和地球上的物質，並沒有兩樣。
曾有哲學家以為，由於我們不可能跑到極遠的星球上，所以我們永遠不可能確知到底星星是由什麼東西構成的。這本來是個非常合理的推論，但卻被各原子有其特殊光譜這件事給推翻了。世界真是奇妙！美國人認為「原子會發出特定的光」是公民科學素養的一部份，我們是不是也認同這種判斷呢？
Tags: 2061年計畫, Benchmarks for Scientific Literacy, 發射光譜, 科學素養指標, 能量轉換