日全食震撼来袭心无杂念（超级日全食看一回）
日全食震撼来袭心无杂念（超级日全食看一回）关于人类观测日全食的历史和对其科学认识的过程，上海交通大学科学史与科学文化研究院教授、副院长钮卫星，曾借2009年中国发生日全食的时机专门著文梳理。《知识分子》获得作者授权，转发这篇文章。日全食也为科学家提供了一个绝佳的研究日冕现象和地球电离层的机会。有趣的是，8月21日发生的日全食曾被科学家准确地预测，并被1932年的《纽约时报》报道。从美国西海岸的俄勒冈州到东海岸的南卡罗莱纳州，千余万美国人以及来自世界各地的天文爱好者见证了这一壮观的自然景象。来自北京的魏朝博在俄勒冈州拍下了日全食发生的整个过程，并记录了他所目睹的日全食：日食开始的时间约为美国当地时间8月21日9:06（北京时间22日0:15），结束时间约为当地时间11:41（北京时间22日凌晨1:41）。8月20日，美国俄勒冈小镇马德拉斯已经聚集了成千上万的日食观测者，上万辆汽车和帐篷遍布小镇的城郊。美国时间21日清晨，所有人就都已
► 美国超级日全食发生过程。摄影：魏朝博
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8月21日的美国大陆出现了全民举头望日的盛景，日食在地球表面形成了113公里宽的日全食带，从西至东正好斜跨美国14个州，距离上一次美国人在如此广大的面积内观测到日全食过去了将近一个世纪。
从美国西海岸的俄勒冈州到东海岸的南卡罗莱纳州，千余万美国人以及来自世界各地的天文爱好者见证了这一壮观的自然景象。来自北京的魏朝博在俄勒冈州拍下了日全食发生的整个过程，并记录了他所目睹的日全食：日食开始的时间约为美国当地时间8月21日9:06（北京时间22日0:15），结束时间约为当地时间11:41（北京时间22日凌晨1:41）。
8月20日，美国俄勒冈小镇马德拉斯已经聚集了成千上万的日食观测者，上万辆汽车和帐篷遍布小镇的城郊。美国时间21日清晨，所有人就都已经开始调试观测设备。我的朋友有人准备多拍几张好照片，有的人以目视为主。而现场也有不少老外带了天文望远镜，可以近距离一睹太阳芳容。初亏开始，太阳远远看上去没什么变化，人群里却已经开始了欢呼，戴上日食眼镜可以隐约发现太阳的右侧已经被遮挡住了。随着食甚将近，天色渐渐暗了下来，温度也明显降低，准备拍照的朋友也都做好了最后的准备。虽然我们没有看到月球在地面的投影，但是远处传来的欢呼声告诉我们：食甚来了。刹那间，天地黑了起来，现场欢呼声和快门声一片。而天上的太阳，只剩明亮的日冕在熠熠发光，中间的圆形部分却像被挖掉一样了。两分钟的全食时间十分短暂，生光的时刻太阳极其绚丽，现场的欢呼声此起彼伏。一瞬间大地就又亮了起来。
日食横跨美国路线图 来源：greatamericaneclipse.com
日全食也为科学家提供了一个绝佳的研究日冕现象和地球电离层的机会。有趣的是，8月21日发生的日全食曾被科学家准确地预测，并被1932年的《纽约时报》报道。
关于人类观测日全食的历史和对其科学认识的过程，上海交通大学科学史与科学文化研究院教授、副院长钮卫星，曾借2009年中国发生日全食的时机专门著文梳理。《知识分子》获得作者授权，转发这篇文章。
《从上天的训诫到造物主的礼物——关于日食的科学、历史和文化》
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日食并不是一开始就被看作是一件来自造物主的礼物，在更长的时间里，它被当作是一种来自上天的训诫。古巴比伦人很早就开始关注日食这种天象了，他们认为日食是上天对人间事务表达不满时发出的一种信号。所以古巴比伦人很勤奋地记录着包括日食在内的各种天象，最终他们在好几个世纪的天象记录中发现了某些天象是周期性出现的，于是发展出了预报天象的方法。现代研究者认为，古巴比伦人或许能够利用18年的沙罗周期来预报月食，但对日食恐怕还不能成功预报。
后起的希腊文明从两河流域的古巴比伦文明那里学习到了天文学知识。在希罗多德的《历史》中记载着一次著名的日食。说公元前585年5月28日这天，吕底亚人（Lydians）和米堤亚人（Medes）正在哈律斯河（现土耳其境内）边鏖战，白天突然变成了黑夜，他们都认为这是上天不满他们双方互相残杀、要他们停止战斗的征兆，于是双方缔结了和约。希罗多德还提到米利都的泰勒斯（Thales，约前624—546）曾经预先警告过爱奥尼亚人，在他确定的这个日子里白天会变成黑夜。对于泰勒斯有没有能力预言这样一次日全食，在现代学者们之间是颇有争议的。有人认为他可能利用了古巴比伦星占学家编制的星历表做出的预言，也有人将此仅仅看作是传说。
► 左上：初亏后约13分钟左右的情景，太阳表面可以看到三个黑子。
左下：食甚时刻前后的情景。右上和右下：在美国伊利诺伊州南部拍摄到的贝利珠现象。尤其难得的是在食既与生光两个时刻都出现了贝利珠。摄影：吴进远
中国古代对日食这种罕见和重大天象的关注程度，丝毫不亚于古巴比伦人。中国古人也把日食看作是上天对人间事务的一种干预，特别地，是对帝王不当行为的一种训诫，所以历代天文学家都非常勤勉地记录着日食这种天象。根据《中国古代天象记录总集》的统计，古代文献中记录的日食共计有1600多条。其中经常被提起的最早日食记载就是所谓的“《书经》日食”。
据《尚书·夏书·胤征》记载，夏王朝（2070BC－1600BC）的第四位君主仲康在位时，天文官员“羲和”酗酒误事，废时乱日，致使日食发生时应对失措，救日场面混乱。胤侯前往征讨，作《胤征》。 其中提到：
乃季秋月朔，辰弗集于房，瞽奏鼓，啬夫驰，庶人走。羲和尸厥官，罔闻知，昏迷于天象，以干先王之诛，《政典》曰：“先时者杀无赦，不及时者杀无赦。”
《胤征》篇中记载的内容因为涉及到《尚书》真伪问题，是否可靠，尚有争议。譬如对交食预报的“先时”和“不及时”一般来说在夏代是无从谈起的。但是从《春秋左传》昭公十七年“日有食之”条引《夏书》这条记载并解释为日食以后，古今学者大多认为这是发生了一次日食。
先秦文献中保存了不少可靠的日食记录。譬如“《诗经》日食”和“《春秋》日食”。《诗经·小雅》中的“十月之交”篇中同时记载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，则维其常；此日而食，于何不臧。
这里月食被认为是“常”，日食被认为是“不臧”，反映了该诗作者对日食和月食的星占含义是差别对待的。
《春秋》中记录了37次日食，宣公（608BC－591BC）以前15次，有7次记明发生在朔日；成公（590BC－573BC）以后22次，全部记明发生在朔日。经用现代天文学方法推算，这37次日食中实际发生的有33次。这些结果说明成公以后的春秋历法对朔的推求已经达到相当准确的程度。
以上的“书经日食”和“诗经日食”还为历史年代学研究提供了线索。因为日食是能够比较精确地回推的天象，所以历代有不少学者试图利用这两次上古的日食记载来确定日食发生时对应的历史事件的年代。但是因为推算过程中还存在一些复杂的不确定性因素，所以这两次日食发生的确切年代还没有定论。
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日食被古人当作上天的训诫，但这并不妨碍古代的天文学家努力去窥测天意，试图掌握日食发生的精确规律。但是在汉以前，中国古代应该还没有能力准确预报日食的发生。《京房·日食占》中说：“日之将蚀也，……置盆水庭中，平旦至暮视之。”这段话告诉了我们一种古人观测日食的方法，也透露了当时没有能力精确预报日食发生的时刻，所以要从早到晚守候着。
到了西汉，基本上已经把月食看做是一种周期性发生的天象了，对日食则还没有达到规律性的认识。《史记·天官书》中有了“月食始日，五月者六，六月者五，五月复六，六月者一，而五月者五。凡百十三月而复始。故月蚀，常也；日蚀，为不臧也”的记载。虽然这段记载文字有错漏，但可以看出太史令司马迁（约145BC－约87BC）认识到了月食是周期性的天象，而日食却是无规律可循。刘歆（约53BC－23AD）在《三统历》中提出以135月有23次月食，首推月食周期，但尚无日食周期的推算。
到两汉时期，对月亮运行规律的认识取得了很大的进步。《淮南子·天文训》中有了月日行度数的概念，事实上等价于恒星月的概念。刘向（约77BC－6BC）在《洪范五行传》中提出“月行九道术”，学者们认为这是对“月行迟疾”的正确认识，也即掌握了近点月的概念。东汉贾逵（30AD－101AD）在论历时也提出：“率一月移故所疾处三度，九岁九道一复。”这些认识，是在秦汉以前的大量实际观测和理论摸索基础上获得的，也为后代历法中定朔的推算和日食的预报做好了准备。
要精确预报日食，除了精确掌握月亮的视运动规律之外，还需要精确掌握太阳的视运动规律。中国古代的历法家在很长一段时间里认为太阳的周年视运动是均匀的，一天走一度。而太阳实际上在黄道上的视运动速度有快有慢，这样按照匀速运动就不能准确推算它在黄道上的位置，精确预报日食也就无从谈起。直到北齐张子信发现了太阳周年视运动的不均匀性，然后隋代的历法家才发展出来对太阳周年视运动不均匀的修正表，精确的日食预报才成为可能。
于是到了初唐时期，李淳风拿日食预报跟唐太宗赌命的故事才有可能“编造”出来。事出自刘餗的《隋唐嘉话》：
太史令李淳风校新历成，奏太阳合日蚀当既，于占不吉。太宗不悦，曰：“日或不蚀，卿将何以自处。”曰：“有如不蚀，则臣请死之。”及期，帝候日于庭，谓淳风曰：“吾放汝与妻子别。”对以尚早一刻，指表影曰：“至此蚀矣。”如言而蚀，不差毫发。
这个故事是否真有如此戏剧性，暂且不论。但一定程度上说明了当时历法家预报日食的水平已经大大提高了。
古人相信太阳是天子的象征，发生日食是上天对人间天子的训诫，要求其改正行为方面存在的错误。所以明君如唐太宗者，听说会有日食发生，也会不高兴。那么当日食能够进行精确预报之后，日食预报成了最精密的历法推算项目，日食所具有的那种星占含义，是否就失效了呢？答案是：不！
且看这样一幅天人互动的生动图景：开元十三年十二月庚戌朔（726年1月8日），唐玄宗正在东封泰山完毕后返回京师的半路上，按照当时历法推算，这天应当发生大食分的日偏食。于是玄宗皇帝在这天不吃饭、不听音乐、不打太阳伞、不穿颜色鲜艳的衣服，如此这般一番做作后，日食居然没有发生。当时跟去封泰山的群臣与八荒君长都“奉寿称庆，肃然神服”。日后被称为一代名相的张九龄当时也上了《贺太阳不亏状》这样的马屁奏章：
右今月朔，太史奏太阳亏，据诸家历，皆蚀十分以上，……今朔之辰，应蚀不蚀。陛下闻日有变，斋戒精诚，外宽政刑，内广仁惠，圣德日慎，灾祥自弭。若无表应，何谓大明？臣等不胜感庆之至，谨奉状陈贺以闻。仍望宣付史馆，以垂来裔。
唐代大天文学家僧一行认为这次日食没有发生，一定是皇帝的德行感动了上天。因此大唐天子借这次所谓的“日应食不食”又进一步确立了他的崇高威望。
一行在《大衍历议·日蚀议》中说：“使日蚀皆不可以常数求，则无以稽历数之疏密。”很多现代作者都引用到这里，以说明一行具有了日食是历法疏密的检验标准这种很有现代“科学”味道的思想，实际上一行还有很重要的后半句：“若皆可以常数求，则无以知政教之休咎。”
现在看来，一行的这段话非常典型地表达了他的历学思想，这种思想与现代科学的精神和方法是完全不同的。一行一方面指出可以通过日食预报准确与否来评判一部历法的优劣；另一方面又认为日食是不可能都用规律去求出来的，如果都能用规律把日食求出来，那么上天就失去了对人君的警示或褒奖手段。所以在一行这样的历算大家眼里，对交食的推求显然不是一项纯粹的对自然规律的探索，而是为政治服务的一种手段。
现在我们知道开元十三年的日食是确实发生的。这是一次最大食分为0.922的日环食，最大食分时本影落在北纬17.9°、东经34.3°，最大食分发生的时刻是北京时间17:13，当时太阳已经下山。因此这次日食只是不能被中国中原地区的观测者观测到而已。
一行对待日食的这种二元论态度是中国古代对待天变的两种态度集合在了一身。一方面，中国古代有一种出自荀子的“天行有常”的思想；另一方面，日食在“神道设教”方面的意义始终在被强调，而且往往是主流。北宋王安石锐意改革，被保守派扣了个“三不足”的帽子，即所谓的“天变不足畏，祖宗不足法，人言不足恤”。熙宁三年（1070年），翰林院要进行一次考试，翰林学士司马光就拟了这样一道“策问”：
今之论者或曰：“天地与人，了不相关，薄食、震摇，皆有常数，不足畏忌。……”意者古今异宜，《诗》、《书》陈迹不可尽信耶？将圣人之言，深微高远，非常人所能知，先儒之解或未得其旨耶？愿闻所以辨之。
司马光从反对变法的立场出发，要人评论王安石的“三不足”思想。虽然王安石从来也没有公开宣称过这“三不足”思想，但保守派还是抓住这一点对王安石展开思想攻势，把当时出现的种种天变说成是变法招致的天谴。王安石的变法招致众多反对意见，最后失败，这与他对待日食等天变的激进态度，无疑有很大的关系。事实上变法的支持者宋神宗也没敢跨出这一步。
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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，日食已经不再被看作是上天的训诫，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. Lockyer 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，美国天文学家哈克內斯（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。
► 日冕
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。
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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作是弯曲的，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。 但是在十九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早已尘埃落定。媒体很快就追逐起新的热点。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则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。
（本文图片均是本次美国日全食的现场照片，特别致谢拍摄者：梅林、曾效娅、张泽民）
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