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7月22日,一次数百年难遇的日全食横扫了我国人口稠密的大部分地区。对于我们现代人来说,日全食只是一次难得的天象观测和天文研究的机会,而对古代人来说,日全食的发生可是一件天大的事情!

日食是一种较为罕见的天象,当月亮绕着地球转时,恰好走到太阳前面,遮住了射向我们的太阳光,就会形成日食。每次农历初一,都要“日月合朔”,但月亮运行的轨道与黄道(太阳看上去在星空中走的路线)有5°多的夹角,所以月亮在太阳前面经过时,常常不是偏上就是偏下,只有在个别情况下,月亮才会遮住太阳。就地球上一个地方来说,平均5年左右,才有机会看到一次太阳被部分遮住的“日偏食”。

至于太阳全被遮住的“日全食”就更罕见了。从地球上看去,月亮的轮廓与太阳大小差不多,月亮离地球远一些时,月亮看去比太阳小,月亮从太阳中心经过时,就会发生“日环食”,这时太阳圆面仅剩下一圈明亮夺目的光环:月亮离地球近时,月亮看去正好比太阳大,月亮从太阳中心经过时,就会发生“日全食”,这时月亮把太阳严丝合缝地遮住,太阳的明亮光盘看不到了,但还能看到太阳周围黯淡的大气。由于月亮走得很快,日全食一般3~5分钟就结束了,短的甚至只有几秒钟。每次发生全食时,月亮本影的尖锥刚好扫过地球表面,形成一条宽几千米到上百千米的“全食带”。就地球上一个地方来说,平均250年,才能被全食带扫过一次,也就是说,有机会看到一次日全食。

日全食不但罕见,而且在所有天象中最引人注目。全食发生时,立刻天昏地暗,如黑夜降临,其过程简直可以用“惊心动魄”来形容,所以在不知日食成因的古代,曰全食的发生会让人极度恐慌;而近代和现代,对天文学家来说,日全食是探测太阳大气的绝好机会,也是普通人翘首盼望的壮观天象。正因为它这样罕见而惊人,所以有些日全食在历史上起到了重要的作用,下面,就让我们来了解一下历史上几次重要的日全食现象。

“仲康日食”——让天文官丢脑袋

在中国历史上,很早就设有专门的部门和人员进行天象观测了。其目的一是了解日、月的运行规律,制定尽可能精密的历法以满足农耕的需要;二是古人认为“天”是一个有意志、有人格的神,天经常通过星象上的变化给人间以警告。因此,各代朝廷都有庞大的司天机构日夜监视天象的变化。天文官是人间君王“通天”的媒介和信使,朝廷对于天文官的期望往往很高,天文官也时刻不敢懈怠。

话说夏朝之时,第四位君王仲康时代,一天中午时分,人们突然发现,原本高悬在天空光芒四射的太阳,光线在一点点减弱,仿佛有个黑黑的怪物在一点点地把太阳吞吃掉——这是“天狗吃太阳”了!百姓们面对突如其来的凶险天象,个个惊恐万状,急忙聚集起来敲盆打锣,按过去的经验,这样就可以把天狗吓走。

对这一天象最为恐惧的还是朝廷和天子。那时,朝廷已经形成一套“救日”仪式,每当发生日食时,监视天象的天文官要在第一时间观测到,然后立刻以最快的速度上报朝廷,随后天子马上率领众臣到殿前设坛,焚香祈祷,向上天献祭以把太阳重新召回。可这次,时间过去了好久,大家眼看着太阳一点点消失,无尽的黑夜就要笼罩大地了,文武百官和仲康大帝都已聚到宫殿前了,却独不见天文官羲和的身影。已经错过了最佳救护时间,仲康大帝顾不得多想,连忙主持开始了救护之礼……

“天狗吃太阳”终于结束,身负重任的羲和仍然不见人影。几个差役赶到清台(当时的天文观测台),好不容易把喝了一夜的酒、烂醉如泥的羲和架到宫中。仲康大帝问明情况,才知原来是羲和酗酒误事,顿时大怒,立刻下令将羲和推出斩了首。

这个故事记录在中国最早的一本历史文献汇编《尚书》里,而且这是中国最早的一次日食记录(很可能也是世界上最早的日食记录),被称作“书经日食”、“仲康日食”。此次日食可能发生在公元前1961年10月26日,据现代天文方法推算,日食发生在中午,全食带恰好穿过中原地区。

世界各民族早期对日食的解释几乎都一样,认为是妖怪吃掉了太阳。那妖怪,除了中国说的“天狗”外,还有北欧人想象中的“天狼”,东南亚人说的青蛙,南美印第安人说的美洲虎,西伯利亚人说的吸血僵尸,印度人说的怪兽等等。美国的奥吉布瓦印第安人更有趣,他们在举行日食救护仪式时要向天发射带火焰的箭,据称是想重新“点燃”太阳。

“泰勒斯日食”——阻止了一场战争

公元前6~7世纪,居住在伊朗高原上的米底人建立起一个米底王国。米底王国一度很强盛,向西征服了亚述帝国,然后继续向西进兵小亚细亚,遇到了新对手吕底亚王国。吕底亚王国濒临爱琴海东岸,即今天土耳其的西北部,也是个很强盛的小王国。面对侵略,吕底亚人拿起武器顽强抵抗,战役一个接着一个,这样一打就是5年,双方士兵大量阵亡,无数百姓流离失所,明知这样耗下去只会两败俱伤,但谁也不愿先退让求和。

一天,两军正在进行激烈的厮杀。忽然,士兵们发现,一个黑影闯进入圆圆的日面,把太阳一点一点地吞食,眩目的太阳光盘逐渐减少,大地的亮度慢慢减弱,好像黄昏提前来到。随即,太阳全被吞没,顿时天昏地暗,仿佛夜幕突然降临,一些亮星在昏暗的天空中闪烁。士兵们从来没见到过这种景象,顿时惊得目瞪口呆,在茫茫的“黑夜”中停止了厮杀。虽然过了不久,太阳就重新出现,日全食很快就结束了,但双方认为,这是上天不满两国的战争而发出的警告。双方的首领决定握手言和,签订了永久的和平契约。一场旷日持久的战争,就这样因偶然遭遇一次曰全食而化干戈为玉帛。

这个故事记载在古希腊历史学家希罗多德的著作《希波战争史》中。根据背景信息,天文学家推算出这次日食发生在公元前585年5月28日。这部书中还记载说,在爱琴海东岸米利都的著名学者泰勒斯预报了这次日全食。米利都属于古希腊城邦。此时,古希腊的文明正跨入自己的辉煌时代,泰勒斯作为一个先驱者,在哲学、数学、天文学、工程、政治等领域都作出了奠基性的贡献。因此,如果说世界上第一位真正意义上的“科学家”是谁,应该非泰勒斯莫属。

泰勒斯预知了这次日全食后,打算利用当时人们对日食的恐惧心理来消除战祸。于是,他向交战两国宣布:“上天对这场战争十分厌恶,将用遮盖太阳的办法来向你们示警,若你们再不休战,将有大难临头。”结果,交战时真的发生了日全食,战争也由此结束了。那么,泰勒斯是怎样预知这次日全食的呢?难道他那时就精确掌握了日、月的运行规律?后人对此做过种种考证,推测泰勒斯可能是使用古巴比伦人发现的沙罗周期(即:日、

月食经过18年11天又8小时以后会重复出现)来预报的。不过沙罗周期只是个近似周期,特别是日全食,全食带很窄,同一周期里每次发生的位置都不一样。看来,如果说泰勒斯作了预报的话,也是侥幸说对,因为全食带恰好落在两国交战的战场上。

泰勒斯是否真能预报日食,人们一直议论纷纷。有人认为,泰勒斯真的做出了精确的预报,于是进一步认为:古希腊科学诞生于公元前585年5月28日,或者干脆说人类科学诞生于公元前585年5月28日。不管是不是真的如此,这种说法至少可看出,对日、月食的认识和成功预报是人类历史上多么重大的事件!

“万目惊看白昼星”——古代诗歌中的日全食奇景

明清以前的天文历法家尚不能预测全食带,当然更谈不上去专程观测日全食,所以绝大多数天文学家终生没有见过日全食。因为这个缘故,古代对日全食的记载非常少,不过,在古代诗歌中有一些很生动的日全食描写。这类诗数量很少,弥足珍贵,我们从中选择几首,来体会一下古人眼中日全食的精彩和壮观。

谁撤天门虎豹扃,群妖食日上青冥。一眉不及黄昏月,万目惊看白昼星。

这是宋代诗人艾性夫作的《日食》,民间虽然称日食为“天狗吃太阳”,但诗人仅借用这种说法,又不受此局限,说:是谁把天上关虎豹的门闩打开了?让群妖吃了太阳!看,光芒万丈的太阳慢慢缩成了比新月还要细的一弯蛾眉,天昏地暗,随后,许多星星出现在昏暗的天穹上,引得万众举目,惊慌不已。

再看明代王族朱权的《日蚀》,与上一首有异曲同工之妙:

光浴咸池正皎然,忽如投暮落虞渊。青天俄有星千点,白昼争看月一弦。

“咸池”、“虞渊”出自《淮南子·天文训》:“日出于呖谷,浴于成池”,“日至于虞渊,是谓黄昏。”此诗说,太阳行在中天,正如古人说的浴于咸池,光焰四射之际,忽然却如沉入西海一般,顿时暮色苍茫,俄顷,深青色的天幕上现出无数星星。天空出现星星的时间虽短,但偏食的时间很长,太阳或像一钩弯月,或像半规弦月,引得众人引颈争看。

《全宋诗》中,收有一位叫“五迈”的作者的诗《甲戌九月,日有食之纪异三十韵》,其开头写道:

甲戌九月秋,朔旦风灾眚。孛彗犯太阳,凄凄如月冷。

方其如亏时,宛然虫食皿。食之至於既,当空悬黑饼。

仿佛存圈子,中陷犹枯井。云间星疏见,草木森弄影。

天地寂无声,疑似非人境……

诗中把日全食的过程、天地的景象描写得非常生动。尤其是诗中明确给出了日食发生的时间:甲戌年九月朔,甲戌年是宋宁宗嘉定七年,该年九月朔,公历是1214年10月5日。查《日月食典》,这次日食是日全食,全食带在宜昌、南昌、福州一线上扫过。

这首诗出自南宋,南宋时有关日全食的诗还有多首,因为这时国家积贫积弱,偏安江南,那种朝不保夕的心态,使人们对日食格外关注。南宋末年一位诗人陈普在他的《壬辰日蚀》诗中就写道:“忆昔度宗皇帝时,十年十三日食之。”10年就发生了13次日食,是够频繁的,这对南宋的灭亡也起到一定的心理影响。

近代日食——“太阳元素”的发现与广义相对论的验证

在古代,观测日食主要用于确定初亏、复圆的时刻以修改校正现有的日、月运行历表,这样,日偏食就足够了,对日全食,除了观赏价值之外,人们不知它还有什么“用途”。

人们早就注意到,日全食发生时,黑黑的月轮外面总有一圈银白色的光晕,所以中国古代典籍中有“日食既而黑,光反外照”、“月正掩日,光从四面出”等记载,太阳被遮住了,怎么还有这么多的光泄露?人们一直没有意识到这圈光晕有什么意义,以为不过地球高层大气的折射现象,或是一种光学幻觉,英国天文学家哈雷则认为是月球上大气的散射光。

直到1860年,科学家通过日全食时的天文照相,才证认这些光晕既不是地球大气,也不是月球大气造成的,而是太阳大气的影像。离太阳远的光晕称“日冕”,近的突起称“日珥”,再贴近日面的叫“色球层”。从此短短几分钟的日全食成了天赐人类的礼物,成了研究太阳大气的宝贵机会。特别在月轮完全遮住日轮或日轮刚好要露出的一刹那拍摄的太阳大气光谱,更为珍贵,称“闪光光谱”。全世界的天文学家积累的资料到现在加一起也没有十几分钟。不少观测过多次日全食的天文学家竟没看过一眼日全食的景象,因为操作仪器太忙碌了,根本没时间抬头。

1868年8月18日,在印度可以看到一次日全食,法国天文学家让桑带了很多笨重的仪器,不远万里赶到印度进行观测,全食发生时,他把分光镜对准黑色月盘边缘突出的红色火焰(日珥),拍照了一系列彩色的线条——日珥光谱。事后他分析这些光谱时,发现其中有一条黄色的谱线,不在当时已知任何元素谱线的位置上。随后,他用太阳望远镜观测太阳光谱,又观察到了这条黄线,不久英国天文学家洛克耶也在太阳光谱中发现了这条黄线,他认为这是太阳上一种特有的元素的谱线,于是将其命名为“氦”(来自希腊文“太阳”,意为“太阳元素”),元素符号定为He,这是首次在地球以外发现的新元素。

人们一直以为氦在地球上不存在,哪知26年后,英国化学家拉姆塞从地球的钇铀矿的燃烧光谱中也发现了这条黄线,证明了地球上也存在氦。氦作为唯一先在地球以外发现的元素,证实天上、地上元素完全对应,这是继万有引力定律后又一次证明了天、地的统一现象。

1919年发生的一次日全食十分著名,因为通过这次观测,验证了爱因斯坦的天才理论——广义相对论。

1911年,爱因斯坦预言,当恒星的光从太阳表面掠过时,太阳的巨大引力会使光线有一个小小的偏离。1915年,爱因斯坦完善了他的广义相对论,计算出星光在掠过太阳表面时所产生的偏折角度为1.75角秒。爱因斯坦的大胆设想很难让人接受,当时,牛顿的“万有引力”理论被认为是正确无误的。牛顿力学认为,月球绕地球运行是因为月球受到地球引力的吸引,但广义相对论却认为是地球的质量扭曲了附近的时空,月球是在弯曲时空中走出了一条阻力最小的曲线,就像火车的铁轨变弯曲后,火车自然沿弯衄的铁轨运行一样。

爱因斯坦的理论是正确还是错误呢?唯一的办法是用观测来证实,可是太阳耀眼的光芒使人们不可能观测到太阳旁边的星星,只有等日全食的时候拍下太阳周边的恒星,再与太阳不在时同一星空的照片比较,才能确定星光是不是真有偏折。就全世界来说,大约每3年就有两次日全食,应该有很多的机会进行观测验证,但由于阴天、地域等原因,好几次日全食观测也没得出结果。

转眼到了1919年,这年的5月29日,在南美、大西洋、中非一带将发生一次日全食,英国著名天文学家、物理学家爱丁顿爵士组织了一支日食观测队,前往非洲西海岸的普林西比岛观测。爱丁顿是爱因斯坦理论的坚决支持者,据说有记者问爱丁顿:“听说全世界只有3个人真正懂得相对论,是吗?”爱丁顿回答:“谁是第三个人?”

几个月后,观测队回到英国,结合其他观测队的成果,经过处理,爱丁顿最后得出星光偏离1.64角秒的结论,与爱因斯坦的预言很接近,离牛顿理论预言的0.87角秒则很远。据说,消息传到爱因斯坦那里,他对这结果出奇的冷静,说:“我从来没有想过会是别的结果。”

11月7日,《泰晤士报》刊出头版头条新闻,其标题耸人听闻:《科学革命:牛顿的思想被推翻》。这一年成了爱因斯坦的又一个“奇迹年”。过去爱因斯坦一直是个普通的年轻物理学家,名声基本限于科学界,而且还是个“有争议的人物”,但这次日食观测使他在公众中间名声鹊起,成为家喻户晓的名人,也奠定了他大科学家的地位。

由于其划时代意义,使这次观测成为科学史上最著名的一次日全食观测。