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严锋:改变历史的日全食

严锋:改变历史的日全食

日全食

日全食虽是罕见的天象,却与人类的命运息息相关。
日全食虽是罕见的天象,却与人类的命运息息相关。

  2009年7月22日,一次数百年难遇的日全食将横扫长江中下游流域。日全食虽是罕见的天象,却与人类的命运息息相关。这一次的日全食,又会唤醒我们什么样的记忆?

  有史以来最有名的一次日全食,记录在古希腊历史学家希罗多德《历史》第一卷第七十四节:

  吕底亚人和美地亚人之间就爆发了战争,这场战争继续了五年。在这期间,美地亚人多次战胜吕底亚人,而吕底亚人也多次战胜美地亚人。他们常常也相互进行夜战,然而,他们双方仍然分不出胜负来。在第六个年头的一次会战中,战争正在进行时,发生了一件偶然的事件,白天突然变成了黑夜。米利都人泰勒斯曾向伊奥尼亚人预言了这个事件。他向他们预言在哪一年会有这样的事件发生,而实际上这话应验了。美地亚人和吕底亚人看到白天变成了黑夜,便停止了战争,而他们双方便都十分切望达成和平的协议了。

  古人对天象的敬畏,竟至于化干戈为玉帛,看来迷信也并非只有负面的意义。但这也是科学在人类历史上第一次展现伟大的力量。现代天文学推算这一次日食发生在公元前585年。成功预测这一次日食的泰勒斯,是希腊的七哲之一,七哲中每个人都特别以一句格言而闻名;传说泰勒斯的格言是:“水是最好的”——他相信水是万物的本原。泰勒斯常常被看成是最早的哲学家,但是罗素认为他更像一个科学家,在数学、天文学、工程等领域都作出了奠基性的贡献。

  泰勒斯用什么办法来预测日食?这倒并非由于他已经完全掌握了日月运行的秘密。泰勒斯认为地球是一个扁平的圆盘,漂浮在一片巨大的海洋之中。月亮和太阳也是一些圆盘,在地球的上方移动。有的时候,它们恰巧排成一线,月亮挡在太阳和地球之中,这时候日食就发生了。这个宇宙模型和我们今天的不太一样,但是很奇怪,如果拥有丰富的观测数据,再荒谬的宇宙模型,也常常能做出一些正确的预测。

  泰勒斯的家乡米利都与吕底亚是联盟,吕底亚与巴比伦有着文化上的密切关系,而巴比伦人,拥有今天也令人惊叹的天文知识。巴比伦人在公元前三十世纪的后期就已经有了历法。他们对太阳和月亮的运行周期测得很准确,朔望月的误差只有0.44秒,近点月的误差只有3.6秒,对五大行星的会合周期也测得很准。巴比伦人发现了日月食的周期,叫做“沙罗周期”(“沙罗”是重复的意思),为十八年零十一天多一点,即6585.32天。知道了沙罗周期,就可以对日食进行预测了,当然你还是不知道它究竟会发生在什么地方。所以泰勒斯的成功,也有一半是瞎蒙的因素在里面。

  巴比伦人说他天文强,中国人就笑了。

  古代中国人对天文的重视,举世无二。顾炎武在《日知录》开首就说:“三代以上,人人皆知天文。‘七月流火’,农夫之辞也;‘三星在天’,妇人之语也;‘月离于毕’,戍卒之作也;‘龙尾伏辰’,儿童之谣也。”顾炎武这里举到的都是《诗经》中的名句,他是把《诗经》当作天文学著作来读了。中国是欧洲文艺复兴以前天文现象最精确的观测者和记录的最好保存者,有着世界上最早最完整的日食记载,《春秋》所记的二百四十二年中,有史可考的日食记录有三十七次。

  中国古代非常重视日食的观测和推算,因为中国人相信天和人相互通连,交相感应,天能干预人事,人亦能感应上天。在上天所显示的各种天象中,日食是最严重的警示,表明统治者失德败政,需要赶快行动起来,进行各种各样的自律、检讨和补救。这就是《史记·天官书》里所说的:“日变(日食)修德,月变省刑,星变结和。”公元前178年,发生了一次日食,汉文帝为此下诏:“朕闻之:天生民,为之置君以养、治之。人主不德,布政不均,则天示之灾以戒不治。乃十一月晦,日有食之,谪见于天,灾孰大焉!肤获保宗庙,以微眇之身托于士民君王之上,天下治乱,在予一人,唯二三执政,犹吾股肱也。朕下不能治育群生,上以累三光之明,其不德大矣。”

  因日食而下罪己诏,汉文帝开中国皇帝自我反省的先河,到后来逐渐固定成一种政治操作。《资治通鉴》记载,公元719年出现日食,唐玄宗“素服以俟变,彻乐减膳,命中书、门下察系囚,赈饥乏,劝农功。”日食发生后要“修政”,包括减免税赋,赈济贫弱,大赦囚犯,虚心纳言等等。日食也是对军事失利的预兆,日食之后不宜用兵,在这一点上和希腊人的心理是相通的。

  通常我们会很容易认为古代中国皇帝的权力大到无边,其实聪明的中国人怎会心甘情愿让统治者成为脱缰的野马,他们自有一些别出心裁的约束办法。用日食来吓唬皇帝,这种想法其实相当不坏。北宋的名臣富弼一语道破其中的真谛:“人君所畏惟天,若不畏天,何事不可为?”

  正因为日食承载了那么多的恐惧和期盼,我们可以理解它和中国历史千丝万缕的联系了。《尚书·胤征》讲述了中国最早的日食故事,天文官羲和因为贪酒漏报了日食,带来杀身之祸。羲和的后任们从此战战兢兢,竭尽最大的努力去寻找日食的秘密。公元前一世纪,《太初历》以一百三十五个朔望月为交食周期,到公元762年的《五纪历》中,已经采用了三百五十八个朔望月的纽康周期,比西方早十一个世纪。

  但是他们预报得越准确,越是说明这个世界自有其不以人意志为转移的规律,皇帝恐怕也就越不把他们当回事了。

  对日食精确的计算和预测,是在十七世纪牛顿发现万有引力定律之后才真正实现的。到十九世纪,对日全食的研究进入黄金时期。借助日益强大的观测仪器和手段,科学家对太阳的结构组成逐渐有了深入的了解。日全食时显现的日冕、日珥、色球层成为不可多得的观测对象。随着交通的发达,人们也不再守株待兔地对日全食发出千年一叹,而是主动出击,“逐日族”由此产生,并结出丰硕成果。

  1868年8月18日,印度发生日食。法国天文学家詹森长途跋涉来到印度。日全食开始后,他把分光镜对准了日珥,看到了几条亮线:红线和蓝线是氢的谱线。而那条黄线呢?他相信这是一种新的元素“太阳元素”——氦。9月19日詹森给巴黎科学院发信报告自己的发现。因为远隔重洋,这封信10月26日才到巴黎科学院。

  没想到英国有一个科学家罗克耶,用电磁分光术的方法也获得了同样的发现。他在1868年10月20日给巴黎科学院写了一封信,也在10月26日到达了巴黎科学院。科学院同一天收到了同样的两封关于发现太阳上新元素的信,也是史上绝无仅有的巧事了。

  日全食也激发了文人雅士的浓厚兴趣。美国十九世纪著名作家,《最后的莫希干人》的作者詹姆士·库柏回忆他看过的一次日全食:“我从未曾目睹如此壮观的景象。日全食给我上了一课,让我体验到什么是渺小和谦卑。”库柏看到狱卒把死刑犯人也从囚房中带出来,让他们最后体会一下那最难得的风景,这本身也是极奇异的景观了。

  1878年7月13日,托马斯·爱迪生离开纽约,赴怀俄明州的罗林斯观看日全食。他随身带了一架他所发明的微动仪。这架仪器设计精密,构思巧妙,与望远镜结合起来,可以精确测量来自不同方向的光源产生热量的微小变动,这变动可以小到华氏五万分之一度。爱迪生想用它来测量日冕的红外辐射,并推断其温度。

  不幸的是,爱迪生百密一疏,把他的奇妙仪器安置在了一个鸡棚旁边,等到了食甚之时,天昏地暗,鸡们误以为安息之时已到,纷纷归笼,严重地妨碍了爱迪生的工作,使得观测结果不尽如人意。不过他还是向美国科协提交了一份相关的论文。日食结束以后,爱迪生在罗林斯钓鱼消遣,收获颇丰。8月26日,他回到新泽西的实验室,第二天开始试制电灯泡。

  下面的事情大家就都很熟悉了。爱迪生试验了六千种不同材料,寻找可以耐久的电灯丝,都不太理想。后来他想起自己在罗林斯的时候,不小心折断了一根竹制鱼竿,随手扔进篝火。他想起来那裂开的竹丝燃烧得格外明亮,也格外持久。也许竹丝是理想的灯丝材料?

  辉煌的日全食,点亮一个小灯泡。这故事如果是神话的话,那也是古老的神话在近代的一线美妙的余光。

  步入二十世纪,人类拥有越来越多先进的观测太阳的手段,日全食的科学意义逐渐式微,开始沦为单纯的观赏对象和科学教育的工具。但是一个重大事件又让日全食成为关注的焦点。

  1905年,一个瑞士专利局的职员发表三篇论文,改变了物理学的面貌,也改变了我们这个世界的面貌。

  爱因斯坦的相对论理论问世之后,引起轩然大波。这是一种全新的宇宙观,彻底挑战人类已有的常识。根据这种理论,引力能使光线弯曲。爱因斯坦认为检验的最好方法是日全食,因为太阳质量巨大,能使遥远星球发来的光线产生显著弯曲。平时太阳光太强,遮蔽了微弱的星光,而日全食的时候太阳正好被挡住,成为绝佳的观测时机。只要把太阳周围星域的照片与同一星域远离太阳时的照片进行比较,就可以测出弯曲的程度。爱因斯坦预测其数值是0.87弧秒。幸运的是,一开始并没有这样的机会,也没有人有兴趣进行验证。爱因斯坦在1915年又提出广义相对论,把弯曲值修改为1.75弧秒。

  科学家知道1919年5月29日会有一个绝佳的机会来考验爱因斯坦。这一次日全食正好在毕宿星团,群星容易为望远镜所见。1917年,尽管战事吃紧,而且爱因斯坦是敌对阵营的科学家,英国皇家天文学家弗兰克·戴森还是成功劝说政府资助观测。停战后不久,验证相对论的日食观测团开始远足。他们一共分为两队,安德鲁·克伦默林与查尔斯·戴维森去巴西,亚瑟·爱丁顿与爱德温·柯丁汉去非洲几内亚湾的西岸普林斯比。

  戴森行前与两组队员会面,对他们说,测量可能有两种结果:光线弯曲1.75弧秒,证明爱因斯坦理论;弯曲0.87弧秒,大家重新回到牛顿。柯丁汉问,如果是爱因斯坦预测数值的两倍呢?戴森说,那爱丁顿肯定会发疯,你们就自己回来吧。

  两队的运气都不好,连续几个月阴雨连绵。爱丁顿这一队,到了日食的当天,依然乌云密布。食甚前十八分钟,太阳露头,但是仍在云中出没。爱丁顿后来说,他一直在紧张地换底片,根本没有时间欣赏日食,就看了一眼,也还是看乌云还能给他多少时间。最终检查结果,有两张底片上留下了五颗星。他测量了其中一颗,就对柯丁汉说:你们不用单独回家了。爱丁顿队的测量结果是1.61弧秒,误差0.30弧秒。

  1919年11月6日,英国皇家学会和皇家天文学会联合公布结果,大厅中挤满了人,大家都知道一个时代正在结束,墙上牛顿的巨幅画像凝视着他们。皇家学会主席汤普森(电子的发现者)宣布广义相对论得到实验证实,并盛赞爱因斯坦的科学思想是这个时代的最高成就。

  这也许是日全食在人类历史上扮演的最后一个重要角色,一个最成功角色,一次最出彩的演出。
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