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3 到了开普勒的时代，文艺复兴运动已向纵深展开，科学革命正如火如荼，日食已经不再被看做是上天的训诫，而是来自造物主的礼物了。然而，如果我们真正去理解开普勒的“礼物”的说法，就会明白其意义不在于为爱好者和媒体提供了一个狂欢的理由，而在于它给天文学研究带来了千载难逢的机会。 实际上，科学史上许多关键的发现都与日食有关。1868年8月18日在印度可以观测到一次食长6分多钟的日全食，吸引了全世界很多天文学家前往观测。法国天文学家让桑（J.Janssen,1824-1907）利用这次日食观测了日珥光谱，他发现日珥光谱中有一条橙黄色的发射线。第二天他又把分光镜指向太阳边缘同一位置上，橙黄色明线依然可见。让桑写信向法国科学院报告他的发现。巧合的是，在该年10月底的同一天，法国科学院还收到了英国天文学家洛克耶（J.N.Locky鄄er,1836-1920）报告同样发现的来信。洛克耶进一步证实了这条橙黄线并不对应于已知的任何元素，他认为这是由太阳特有的一种元素产生的，并把它命名为“氦”（Helium），是来自太阳的意思。直到26年后英国化学家雷姆塞（W.Ramsay,1852-1916）终于在地球上找到了这种元素。 在1868年的日食观测中，让桑和洛克耶还独立产生了同样的想法：使用一个高分散力的分光镜——能够发散太阳表层即“光球层”的连续光谱但不发散单色的亮线，在不发生日食的时候也能看到日珥光谱中的亮线。这一想法导致了太阳物理天文台的诞生。 1869年8月7日日全食的全食带贯穿北美大陆，美国天文学家哈克内斯（W.Harkness,1837-1903）在太阳大气的最外层日冕的光谱中发现一条绿色谱线。在第二年12月22日的日全食中另一位美国天文学家杨（C.A.Young,1834-1908）测定了它的位置，发现这条绿色谱线也不与地球上任何已知的元素相对应。人们设想这是一种只存在于日冕的元素（coronium）所发出。直到72年后的1941年，瑞典分光学家埃德伦(B.Edlen，1906-1993)借助量子力学和恒星大气理论的发展才给出问题的答案：这条谱线不是一种日冕特有元素的产物，而是铁、镍、钙等元素9到14次电离的离子产生的禁线。这些谱线的存在揭示了日冕中有高达百万度量级的电子温度。于是一个难题的解决带来了一个新的难题：什么样的加热机制导致日冕有如此高的温度？为了解决这个难题，此后一个多世纪里发生日全食时对日冕层的测量成为一个重要项目。虽然至今已经有各种各样的日冕理论模型提出来，但日冕模型仍属于争论不休的研究领域。 1870年日全食时杨还有一个重要发现。他在食既到生光的一瞬间，观测到太阳反变层的发射线光谱（即色球发射线光谱，一般称闪光谱），只延续一二秒钟，然后就被通常的夫琅和费光谱所代替。这一观测是光谱学上的基尔霍夫定律的直接证明。同时也证实了太阳色球层的存在，其厚度约为2000－3000公里。 4 以上这些利用日食取得的进步基本上还都直接与太阳本身的理论有关。近一个世纪以来，日食真正扮演的重要角色或许在于它见证了现代物理学最深刻的一场革命——广义相对论革命。 爱因斯坦在1915年完成了他的广义相对论理论。广义相对论把物质存在的空间看做是弯曲的，物质的质量越大，弯曲得就越厉害。爱因斯坦曾经感叹道：上帝为什么不给我们造一个重一点的木星？假如木星足够重的话，就可以很方便地检验掠过木星旁边的恒星星光发生偏折的情况。现在只能求助于太阳，利用日全食时拍摄太阳附近的恒星位置，再等太阳离开该天区后拍摄同一群恒星的位置，然后比较前后两组底片，测量恒星位置的偏离情况，以检验星光的偏折程度。 实际上，在牛顿力学的框架内，也能预言星光的偏折。1804年德国慕尼黑天文台的索德纳（Johann von Soldner，1766-1833）根据牛顿力学，把光微粒当做有质量的粒子，预言了光线经过太阳边缘时会发生0.875角秒的偏折。但是在19世纪里光的波动说占据上风，索德纳的预言没有被认真对待。到1915年爱因斯坦根据广义相对论计算出太阳边缘星光的偏折度为1.75角秒。 孰是孰非，牛顿还是爱因斯坦？只有经过实测来检验。当时正值第一次世界大战各方交战正酣。英国的爱丁顿通过荷兰人了解到了正在德国的爱因斯坦的理论，并对检验广义相对论关于光线弯曲的预言十分感兴趣。爱丁顿出于他的宗教信仰，是个反战派。但拒绝服兵役将会受到劳役的处罚，对他这样一个学界名人进行这样的处罚很不得体。当时对爱丁顿的一个皆大欢喜的处理就是同意他提出来的由他去负责为即将到来的1919年5月29日发生的日全食筹备一个日食远征队。日食到来之时，一战已经结束。英国人实际上为那次日食组织了两个观测远征队，一队到巴西北部的索布拉尔（Sobral）；另一队到非洲几内亚海湾的普林西比岛（Principe）。爱丁顿参加了后一队，但他的运气比较差，普林西比当时原本处在比较干旱的季节，但在日食发生的那天上午下起了暴雨，后来只是在云缝里拍摄了几张食甚时候的星空照片。1919年11月两支观测队的结果被归算出来：索布拉尔观测队的结果是1.98″±0.12″；普林西比队的结果是1.61″±0.30″。1919年11月6日，英国人宣布光线按照爱因斯坦所预言的方式发生偏折。 当时的媒体对这一结果做出了剧烈的反应。第二天，历来谨慎的英国《泰晤士报》赫然出现醒目的标题文章：“科学中的革命”，两个副标题是“宇宙新理论”、“牛顿观念的破产”。1919年12月14日《柏林画报》周刊的封面刊登了爱因斯坦的照片，并配上这样的标题说明：“世界历史上的一个新伟人：阿尔伯特·爱因斯坦，他的研究标志着我们自然观念的一次全新革命，堪与哥白尼、开普勒、牛顿比肩。” 但在后来的专业研究人员看来，上面的这一宣布是草率的。两支观测队归算出来的最后结果受到了怀疑。天文学家们明白，在检验光线弯曲这样一个复杂的观测中，导致最后结果产生误差的因素很多。在这一次观测中，对昼夜温差导致的底片热胀冷缩、大气扰动的模型变化、底片的成像质量等系统误差因素考虑得不是很周到。所以尽管在媒体和大众眼中，爱因斯坦的广义相对论已经获得了验证，但是在专业人员看来，广义相对论还需要在未来的日食中进行更严格的检验。 后来1922年9月21日、1929年5月9日、1936年6月19日、1947年5月20日和1952年2月25日发生日全食时，各国天文学家都组织了检验光线弯曲的观测，公布的结果与广义相对论的预言有的符合较好，有的则不符合。 1973年6月30日发生的日全食与1919年5月29日和2009年7月22日的日全食都属于编号为136的沙罗食系。该次全食带横贯非洲大陆，是20世纪全食时间第二长的日全食，并且发生日全食时太阳位于恒星最密集的银河星空背景下，十分有利于对光线偏折进行检验。美国人在毛里塔尼亚的欣盖提沙漠绿洲建造了专门用于观测的绝热小屋，并为提高观测精度作了精心的准备，譬如把暗房和洗底片液保持在20°C、对整个仪器各个部分的温度变化进行监控等等。在拍摄了日食照片后，观测队封存了小屋，用水泥封住了望远镜上的止动销，到11月初再回去拍摄了比较底片。用精心设计的计算程序对所有的观测量进行分析之后，得到太阳边缘处星光的偏折是1.66″±0.18″。这一结果证实广义相对论的预言比牛顿力学的预言更符合观测。 被称为“世纪日食”的2009年日全食带来的狂欢已基本尘埃落定。媒体会很快地去追逐新的热点。专业人员将会在日后漫长的日子里去处理观测数据并希望有所新发现。亲身经历了日全食奇观的普通大众将会在脑海里留下那难忘的一幕幕场景。如今人们对日食的敬畏感已经被科学消解殆尽，太阳大气模型这类深奥的科学离开大众又太遥远。当大自然呈现出日全食这样一个特殊天象时，媒体发掘出娱乐，商人看到了商机，大众欣赏到奇观，科学家抓住了难得的观测机会，这些都未尝不是一种可接受的方式，不算愧对了造物主给我们的礼物——毕竟这是一个多元的世界。 (责任编辑：admin) |