超級日全食：看一回，少一回

►美國超級日全食發生過程。攝影：魏朝博

知識分子為更好的智趣生活ID：The-Intellectual

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8月21日的美國大陸出現了全民舉頭望日的盛景，日食在地球表面形成了113公里寬的日全食帶，從西至東正好斜跨美國14個州，距離上一次美國大陸如此廣大的面積內觀測到日全食過去了將近一個世紀。

這次日全食開始的時間約為美國東部時間8月21日13:15（北京時間22日0:15），結束時間約為東部時間下午3時（北京時間22日凌晨2時）。在近兩小時內，從美國西海岸的俄勒岡州到東海岸的南卡羅萊納州，1220萬美國人以及來自世界各地的天文愛好者見證了這一壯觀的景象。來自北京的魏朝博在俄勒岡州拍下了日全食的過程，並記錄了他所目睹的日全食過程：

8月20日，美國俄勒岡小鎮馬德拉斯已經聚集了成千上萬的日食觀測者，上萬兩汽車和帳篷遍布這個小鎮的城郊。美國時間21日清晨，所有人就都已經開始調試觀測設備。我的朋友有人準備多拍幾張好照片，有的人以目視為主。而現場也有不少老外帶了天文望遠鏡，可以近距離一睹太陽芳容。初虧開始，太陽遠遠看上去沒什麼變化，人群里卻已經開始了歡呼，戴上日食眼鏡可以隱約發現太陽的右側已經被遮擋住了。隨著食甚將近，天色漸漸暗了下來，溫度也明顯降低，準備拍照的朋友也都做好了最後的準備。雖然我們沒有看到月球在地面的投影，但是遠處傳來的歡呼聲告訴我們：食甚來了。剎那間，天地黑了起來，現場歡呼聲和快門聲一片。而天上的太陽，只剩明亮的日冕在熠熠發光，中間的圓形部分卻像被挖掉一樣了。兩分鐘的全食時間十分短暫，生光的時刻太陽極其絢麗，現場的歡呼聲此起彼伏。一瞬間大地就又亮了起來。

——魏朝博

日全食橫跨美國路線圖 來源：

日全食也為科學家提供了一個絕佳的研究日冕現象和地球電離層的機會。有趣的是，8月21日發生的日全食曾被科學家準確地預測，並被1932年的《紐約時報》報道。

關於人類觀測日全食的歷史和對其科學認識的過程，上海交通大學科學史與科學文化研究院教授、副院長鈕衛星，曾借2009年發生日全食的時機專門著文梳理。《知識分子》獲得作者授權，轉發這篇文章。

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日食並不是一開始就被看作是一件來自造物主的禮物，在更長的時間裡，它被當作是一種來自上天的訓誡。古巴比倫人很早就開始關注日食這種天象了，他們認為日食是上天對人間事務表達不滿時發出的一種信號。所以古巴比倫人很勤奮地記錄著包括日食在內的各種天象，最終他們在好幾個世紀的天象記錄中發現了某些天象是周期性出現的，於是發展出了預報天象的方法。現代研究者認為，古巴比倫人或許能夠利用18年的沙羅周期來預報月食，但對日食恐怕還不能成功預報。

後起的希臘文明從兩河流域的古巴比倫文明那裡學習到了天文學知識。在希羅多德的《歷史》中記載著一次著名的日食。說公元前585年5月28日這天，呂底亞人（Lydians）和米堤亞人（Medes）正在哈律斯河（現土耳其境內）邊鏖戰，白天突然變成了黑夜，他們都認為這是上天不滿他們雙方互相殘殺、要他們停止戰鬥的徵兆，於是雙方締結了和約。希羅多德還提到米利都的泰勒斯（Thales，約前624—546）曾經預先警告過愛奧尼亞人，在他確定的這個日子裡白天會變成黑夜。對於泰勒斯有沒有能力預言這樣一次日全食，在現代學者們之間是頗有爭議的。有人認為他可能利用了古巴比倫星占學家編製的星曆表做出的預言，也有人將此僅僅看作是傳說。

► 左上：初虧后約13分鐘左右的情景，太陽表面可以看到三個黑子。

左下：食甚時刻前後的情景。右上和右下：在美國伊利諾伊州南部拍攝到的貝利珠現象。尤其難得的是在食既與生光兩個時刻都出現了貝利珠。攝影：吳進遠

古代對日食這種罕見和重大天象的關注程度，絲毫不亞於古巴比倫人。古人也把日食看作是上天對人間事務的一種干預，特別地，是對帝王不當行為的一種訓誡，所以歷代天文學家都非常勤勉地記錄著日食這種天象。根據《古代天象記錄總集》的統計，古代文獻中記錄的日食共計有1600多條。其中經常被提起的最早日食記載就是所謂的「《書經》日食」。

據《尚書·夏書·胤征》記載，夏王朝（2070BC－1600BC）的第四位君主仲康在位時，天文官員「羲和」酗酒誤事，廢時亂日，致使日食發生時應對失措，救日場面混亂。胤侯前往征討，作《胤征》。 其中提到：

乃季秋月朔，辰弗集於房，瞽奏鼓，嗇夫馳，庶人走。羲和屍厥官，罔聞知，昏迷於天象，以干先王之誅，《政典》曰：「先時者殺無赦，不及時者殺無赦。」

《胤征》篇中記載的內容因為涉及到《尚書》真偽問題，是否可靠，尚有爭議。譬如對交食預報的「先時」和「不及時」一般來說在夏代是無從談起的。但是從《春秋左傳》昭公十七年「日有食之」條引《夏書》這條記載並解釋為日食以後，古今學者大多認為這是發生了一次日食。

先秦文獻中保存了不少可靠的日食記錄。譬如「《詩經》日食」和「《春秋》日食」。《詩經·小雅》中的「十月之交」篇中同時記載了一次日食和一次月食：

十月之交，朔月辛卯。日有食之，……彼月而食，則維其常；此日而食，於何不臧。

這裡月食被認為是「常」，日食被認為是「不臧」，反映了該詩作者對日食和月食的星占含義是差別對待的。

《春秋》中記錄了37次日食，宣公（608BC－591BC）以前15次，有7次記明發生在朔日；成公（590BC－573BC）以後22次，全部記明發生在朔日。經用現代天文學方法推算，這37次日食中實際發生的有33次。這些結果說明成公以後的春秋曆法對朔的推求已經達到相當準確的程度。

以上的「書經日食」和「詩經日食」還為歷史年代學研究提供了線索。因為日食是能夠比較精確地回推的天象，所以歷代有不少學者試圖利用這兩次上古的日食記載來確定日食發生時對應的歷史事件的年代。但是因為推算過程中還存在一些複雜的不確定性因素，所以這兩次日食發生的確切年代還沒有定論。

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日食被古人當作上天的訓誡，但這並不妨礙古代的天文學家努力去窺測天意，試圖掌握日食發生的精確規律。但是在漢以前，古代應該還沒有能力準確預報日食的發生。《京房·日食占》中說：「日之將蝕也，……置盆水庭中，平旦至暮視之。」這段話告訴了我們一種古人觀測日食的方法，也透露了當時沒有能力精確預報日食發生的時刻，所以要從早到晚守候著。

到了西漢，基本上已經把月食看做是一種周期性發生的天象了，對日食則還沒有達到規律性的認識。《史記·天官書》中有了「月食始日，五月者六，六月者五，五月復六，六月者一，而五月者五。凡百十三月而復始。故月蝕，常也；日蝕，為不臧也」的記載。雖然這段記載文字有錯漏，但可以看出太史令司馬遷（約145BC－約87BC）認識到了月食是周期性的天象，而日食卻是無規律可循。劉歆（約53BC－23AD）在《三統曆》中提出以135月有23次月食，首推月食周期，但尚無日食周期的推算。

到兩漢時期，對月亮運行規律的認識取得了很大的進步。《淮南子·天文訓》中有了月日行度數的概念，事實上等價於恆星月的概念。劉向（約77BC－6BC）在《洪範五行傳》中提出「月行九道術」，學者們認為這是對「月行遲疾」的正確認識，也即掌握了近點月的概念。東漢賈逵（30AD－101AD）在論歷時也提出：「率一月移故所疾處三度，九歲九道一復。」這些認識，是在秦漢以前的大量實際觀測和理論摸索基礎上獲得的，也為後代曆法中定朔的推算和日食的預報做好了準備。

要精確預報日食，除了精確掌握月亮的視運動規律之外，還需要精確掌握太陽的視運動規律。古代的曆法家在很長一段時間裡認為太陽的周年視運動是均勻的，一天走一度。而太陽實際上在黃道上的視運動速度有快有慢，這樣按照勻速運動就不能準確推算它在黃道上的位置，精確預報日食也就無從談起。直到北齊張子信發現了太陽周年視運動的不均勻性，然後隋代的曆法家才發展出來對太陽周年視運動不均勻的修正表，精確的日食預報才成為可能。

於是到了初唐時期，李淳風拿日食預報跟唐太宗賭命的故事才有可能「編造」出來。事出自劉餗的《隋唐嘉話》：

太史令李淳風校新曆成，奏太陽合日蝕當既，於占不吉。太宗不悅，曰：「日或不蝕，卿將何以自處。」曰：「有如不蝕，則臣請死之。」及期，帝候日於庭，謂淳風曰：「吾放汝與妻子別。」對以尚早一刻，指表影曰：「至此蝕矣。」如言而蝕，不差毫髮。

這個故事是否真有如此戲劇性，暫且不論。但一定程度上說明了當時曆法家預報日食的水平已經大大提高了。

古人相信太陽是天子的象徵，發生日食是上天對人間天子的訓誡，要求其改正行為方面存在的錯誤。所以明君如唐太宗者，聽說會有日食發生，也會不高興。那麼當日食能夠進行精確預報之後，日食預報成了最精密的曆法推算項目，日食所具有的那種星占含義，是否就失效了呢？答案是：不！

且看這樣一幅天人互動的生動圖景：開元十三年十二月庚戌朔（726年1月8日），唐玄宗正在東封泰山完畢后返回京師的半路上，按照當時曆法推算，這天應當發生大食分的日偏食。於是玄宗皇帝在這天不吃飯、不聽音樂、不打太陽傘、不穿顏色鮮艷的衣服，如此這般一番做作后，日食居然沒有發生。當時跟去封泰山的群臣與八荒君長都「奉壽稱慶，肅然神服」。日後被稱為一代名相的張九齡當時也上了《賀太陽不虧狀》這樣的馬屁奏章：

右今月朔，太史奏太陽虧，據諸家歷，皆蝕十分以上，……今朔之辰，應蝕不蝕。陛下聞日有變，齋戒精誠，外寬政刑，內廣仁惠，聖德日慎，災祥自弭。若無表應，何謂大明？臣等不勝感慶之至，謹奉狀陳賀以聞。仍望宣付史館，以垂來裔。

唐代大天文學家僧一行認為這次日食沒有發生，一定是皇帝的德行感動了上天。因此大唐天子借這次所謂的「日應食不食」又進一步確立了他的崇高威望。

一行在《大衍曆議·日蝕議》中說：「使日蝕皆不可以常數求，則無以稽曆數之疏密。」很多現代作者都引用到這裡，以說明一行具有了日食是曆法疏密的檢驗標準這種很有現代「科學」味道的思想，實際上一行還有很重要的後半句：「若皆可以常數求，則無以知政教之休咎。」

現在看來，一行的這段話非常典型地表達了他的歷學思想，這種思想與現代科學的精神和方法是完全不同的。一行一方面指出可以通過日食預報準確與否來評判一部曆法的優劣；另一方面又認為日食是不可能都用規律去求出來的，如果都能用規律把日食求出來，那麼上天就失去了對人君的警示或褒獎手段。所以在一行這樣的歷算大家眼裡，對交食的推求顯然不是一項純粹的對自然規律的探索，而是為政治服務的一種手段。

現在我們知道開元十三年的日食是確實發生的。這是一次最大食分為0.922的日環食，最大食分時本影落在北緯17.9°、東經34.3°，最大食分發生的時刻是北京時間17:13，當時太陽已經下山。因此這次日食只是不能被中原地區的觀測者觀測到而已。

一行對待日食的這種二元論態度是古代對待天變的兩種態度集合在了一身。一方面，古代有一種出自荀子的「天行有常」的思想；另一方面，日食在「神道設教」方面的意義始終在被強調，而且往往是主流。北宋王安石銳意改革，被保守派扣了個「三不足」的帽子，即所謂的「天變不足畏，祖宗不足法，人言不足恤」。熙寧三年（1070年），翰林院要進行一次考試，翰林學士司馬光就擬了這樣一道「策問」：

今之論者或曰：「天地與人，了不相關，薄食、震搖，皆有常數，不足畏忌。……」意者古今異宜，《詩》、《書》陳跡不可盡信耶？將聖人之言，深微高遠，非常人所能知，先儒之解或未得其旨耶？願聞所以辨之。

司馬光從反對變法的立場出發，要人評論王安石的「三不足」思想。雖然王安石從來也沒有公開宣稱過這「三不足」思想，但保守派還是抓住這一點對王安石展開思想攻勢，把當時出現的種種天變說成是變法招致的天譴。王安石的變法招致眾多反對意見，最後失敗，這與他對待日食等天變的激進態度，無疑有很大的關係。事實上變法的支持者宋神宗也沒敢跨出這一步。

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到了開普勒的時代，文藝復興運動已向縱深展開，科學革命正如火如荼，日食已經不再被看作是上天的訓誡，而是來自造物主的禮物了。然而，如果我們真正去理解開普勒的「禮物」的說法，就會明白其意義不在於為愛好者和媒體提供了一個狂歡的理由，而在於它給天文學研究帶來了千載難逢的機會。

實際上，科學史上許多關鍵的發現都與日食有關。1868年8月18日在印度可以觀測到一次食長6分多鐘的日全食，吸引了全世界很多天文學家前往觀測。法國天文學家讓桑（J. Janssen, 1824-1907）利用這次日食觀測了日珥光譜，他發現日珥光譜中有一條橙黃色的發射線。第二天他又把分光鏡指向太陽邊緣同一位置上，橙黃色明線依然可見。讓桑寫信向法國科學院報告他的發現。巧合的是，在該年10月底的同一天，法國科學院還收到了英國天文學家洛克耶（J. N. Lockyer, 1836-1920）報告同樣發現的來信。洛克耶進一步證實了這條橙黃線並不對應於已知的任何元素，他認為這是由太陽特有的一種元素產生的，並把它命名為「氦」（Helium），是來自太陽的意思。直到26年後英國化學家雷姆塞（W. Ramsay, 1852-1916）終於在地球上找到了這種元素。

在1868年的日食觀測中，讓桑和洛克耶還獨立產生了同樣的想法：使用一個高分散力的分光鏡——能夠發散太陽表層即「光球層」的連續光譜但不發散單色的亮線，在不發生日食的時候也能看到日珥光譜中的亮線。這一想法導致了太陽物理天文台的誕生。

1869年8月7日日全食的全食帶貫穿北美大陸，美國天文學家哈克內斯（W. Harkness, 1837-1903）在太陽大氣的最外層日冕的光譜中發現一條綠色譜線。在第二年12月22日的日全食中另一位美國天文學家楊（C. A. Young, 1834-1908）測定了它的位置，發現這條綠色譜線也不與地球上任何已知的元素相對應。人們設想這是一種只存在於日冕的元素（coronium）所發出。直到72年後的1941年，瑞典分光學家埃德倫（B. Edlen, 1906-1993）藉助量子力學和恆星大氣理論的發展才給出問題的答案：這條譜線不是一種日冕特有元素的產物，而是鐵、鎳、鈣等元素9到14次電離的離子產生的禁線。這些譜線的存在揭示了日冕中有高達百萬度量級的電子溫度。於是一個難題的解決帶來了一個新的難題：什麼樣的加熱機制導致日冕有如此高的溫度？為了解決這個難題，此後一個多世紀里發生日全食時對日冕層的測量成為一個重要項目。雖然至今已經有各種各樣的日冕理論模型提出來，但日冕模型仍屬於爭論不休的研究領域。

►日冕

1870年日全食時楊還有一個重要發現。他在食既到生光的一瞬間，觀測到太陽反變層的發射線光譜（即色球發射線光譜，一般稱閃光譜），只延續一、二秒鐘，然後就被通常的夫琅和費光譜所代替。這一觀測是光譜學上的基爾霍夫定律的直接證明。同時也證實了太陽色球層的存在，其厚度約為2000－3000公里。

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以上這些利用日食取得的進步基本上還都直接與太陽本身的理論有關。近一個世紀以來，日食真正扮演的重要角色或許在於它見證了現代物理學最深刻的一場革命——廣義相對論革命。

愛因斯坦在1915年完成了他的廣義相對論理論。廣義相對論把物質存在的空間看作是彎曲的，物質的質量越大，彎曲得就越厲害。愛因斯坦曾經感嘆道：上帝為什麼不給我們造一個重一點的木星？假如木星足夠重的話，就可以很方便地檢驗掠過木星旁邊的恆星星光發生偏折的情況。現在只能求助於太陽，利用日全食時拍攝太陽附近的恆星位置，再等太陽離開該天區后拍攝同一群恆星的位置，然後比較前後兩組底片，測量恆星位置的偏離情況，以檢驗星光的偏折程度。

實際上，在牛頓力學的框架內，也能預言星光的偏折。1804年德國慕尼黑天文台的索德納（Johann von Soldner，1766-1833）根據牛頓力學，把光微粒當做有質量的粒子，預言了光線經過太陽邊緣時會發生0.875角秒的偏折。 但是在十九世紀里光的波動說佔據上風，索德納的預言沒有被認真對待。到1915年愛因斯坦根據廣義相對論計算出太陽邊緣星光的偏折度為1.75角秒。

孰是孰非，牛頓還是愛因斯坦？只有經過實測來檢驗。當時正值第一次世界大戰各方交戰正酣。英國的愛丁頓通過荷蘭人了解到了正在德國的愛因斯坦的理論，並對檢驗廣義相對論關於光線彎曲的預言十分感興趣。愛丁頓出於他的宗教信仰，是個反戰派。但拒絕服兵役將會受到勞役的處罰，對他這樣一個學界名人進行這樣的處罰很不得體。當時對愛丁頓的一個皆大歡喜的處理就是同意他提出來的由他去負責為即將到來的1919年5月29日發生的日全食籌備一個日食遠征隊。

日食到來之時，一戰已經結束。英國人實際上為那次日食組織了兩個觀測遠征隊，一隊到巴西北部的索布拉爾（Sobral）；另一隊到非洲幾內亞海灣的普林西比島（Principe）。愛丁頓參加了后一隊，但他的運氣比較差，普林西比當時原本處在比較乾旱的季節，但在日食發生的那天上午下起了豪雨，後來只是在雲縫裡拍攝了幾張食甚時候的星空照片。1919年11月兩支觀測隊的結果被歸算出來：索布拉爾觀測隊的結果是1.98″±0.12″；普林西比隊的結果是1.61″±0.30″。1919年11月6日，英國人宣布光線按照愛因斯坦所預言的方式發生偏折。

當時的媒體對這一結果做出了劇烈的反應。第二天，歷來謹慎的英國《泰晤士報》赫然出現醒目的標題文章：「科學中的革命」，兩個副標題是「宇宙新理論」、「牛頓觀念的破產」。1919年12月14日《柏林畫報》周刊的封面刊登了愛因斯坦的照片，並配上這樣的標題說明：「世界歷史上的一個新偉人：阿爾伯特·愛因斯坦，他的研究標誌著我們自然觀念的一次全新革命，堪與哥白尼、開普勒、牛頓比肩。」

但在後來的專業研究人員看來，上面的這一宣布是草率的。兩支觀測隊歸算出來的最後結果受到了懷疑。天文學家們明白，在檢驗光線彎曲這樣一個複雜的觀測中，導致最後結果產生誤差的因素很多。在這一次觀測中，對晝夜溫差導致的底片熱脹冷縮、大氣擾動的模型變化、底片的成像質量等系統誤差因素考慮得不是很周到。所以儘管在媒體和大眾眼中，愛因斯坦的廣義相對論已經獲得了驗證，但是在專業人員看來，廣義相對論還需要在未來的日食中進行更嚴格的檢驗。

後來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日發生日全食時，各國天文學家都組織了檢驗光線彎曲的觀測，公布的結果與廣義相對論的預言有的符合較好，有的則不符合。

1973年6月30日發生的日全食與1919年5月29日和2009年7月22日的日全食都屬於編號為136的沙羅食系。該次全食帶橫貫非洲大陸，是20世紀全食時間第二長的日全食，並且發生日全食時太陽位於恆星最密集的銀河星空背景下，十分有利於對光線偏折進行檢驗。美國人在茅利塔尼亞的欣蓋提沙漠綠洲建造了專門用於觀測的絕熱小屋，並為提高觀測精度作了精心的準備，譬如把暗房和洗底片液保持在20°C、對整個儀器各個部分的溫度變化進行監控等等。在拍攝了日食照片后，觀測隊封存了小屋，用水泥封住瞭望遠鏡上的止動銷，到11月初再回去拍攝了比較底片。用精心設計的計算程序對所有的觀測量進行分析之後，得到太陽邊緣處星光的偏折是1.66″±0.18″。這一結果證實廣義相對論的預言比牛頓力學的預言更符合觀測。

被稱為「世紀日食」的2009年日全食帶來的狂歡早已塵埃落定。媒體很快就追逐起新的熱點。專業人員將會在日後漫長的日子裡去處理觀測數據並希望有所新發現。親身經歷了日全食奇觀的普通大眾則會在腦海里留下那難忘的一幕幕場景。如今人們對日食的敬畏感已經被科學消解殆盡，太陽大氣模型這類深奧的科學離開大眾又太遙遠。當大自然呈現出日全食這樣一個特殊天象時，媒體發掘出娛樂，商人看到了商機，大眾欣賞到奇觀，科學家抓住了難得的觀測機會，這些都未嘗不是一種可接受的方式，不算愧對了造物主給我們的禮物——畢竟這是一個多元的世界。

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