藏在日全食中的科学

雪域刀

藏在日全食中的科学


日全食发生地时候，天地暗淡无光；全食期间如同夜晚降临，黑太阳周围围绕着白色的

日冕，寻常不得见的水星，和金星、冬夜的星空出现在“夜空”， 而对于科学家来说，

日全食带来的，不仅仅视觉上的震撼，还会揭露许多宇宙的秘密。

科学首先在古希腊萌芽，亚里士多德通过月食的观测等证据，推断出来大地是个球体，

并推断月亮也是球体，但是对于月亮离我们的距离，却不容易判断。在公元前190年3月

14日发生的一次日全食却提供了线索。天文学家依巴谷（Hipparchus）发现，这次日食

在他的出生地尼斯（Nice）及附近的达达尼尔海峡都可以看到全食，而在同一经度上的

亚历山大城则只能看到太阳直径被遮挡4/5。这说明在两地看月亮，它的视位置是有差异

的，就像我们用两只眼睛轮流看放在眼前的手指，它的位置仿佛发生了变化，这在天文

学上称为视差。从而依巴谷就知道，两地（相当于两只“眼睛”）对月亮的张角是太阳

直径（30角秒）的4/5，这样就得到了一个三角形。利用这个关系，依巴谷根据两地的纬

度，计算出来月亮离地球的距离是地球半径的62～74倍。虽然这个结果还有些误差，但

这是人类第一次知道了天体的距离，在科学史上是了不起的成就。

到了近现代，日全食带给科学家了更多的惊喜。
1868年8月18日，在印度发生一次日全食，英国、法国的日食远征队赶赴现场观测。当时

普法战争已到了尾声，巴黎正在被围困，法国科学家让桑（Jassen）在夜间乘坐气球从

被巴黎逃出，才得以前往印度。他在研究这次观测拍摄日珥——太阳边缘的超级风暴—

—的光谱的时候，发现其中有一条黄线非常明亮，是此前光谱研究中没有发现过的。光

谱可以说是化学元素的“指纹”，每种元素都有自己独特的光谱。于是科学家们断定，

这应该是一种新的元素，因为是在太阳中首先发现的，所以命名为Helium，即氦，它的

词根就是古希腊文的太阳（helios）。经过26年的寻找，英国化学家才在钇铀矿的气体

中发现了这种元素的存在。后来人们发现，氦其实并不少见，它在宇宙中的数量仅次于

氢，在宇宙大爆炸之后就存在了，在我们周围的大气中就有氦元素。但是它是一种惰性

气体，性格孤僻，所以一开始被人们所忽略，反而在遥远的太阳上首先露出了“真
容”。氦的原子核经常以放射线的形式，称为阿尔法射线，所以才会在钇铀矿中被找
到。

历史的故事总会发生两次。
1869年日全食期间，美国天文学家哈克尼斯（Harkness）在太阳的大气层——日冕的光

谱中发现了一条绿色谱线，同样不知其来由，后来的观测中，不断的发现这类谱线，科

学家猜测这可能又是在地球上未发现的一种新元素，因为它存在于日冕中，就命名为
mian（“气”下加“免”）；但直到1920年代，元素周期表已经被填满，还是找不到
mian的位置，这种新元素在哪里呢？1930年代初，加州理工学院的物理学家鲍恩
（Bowen）终于破解了这个谜团，他从理论上指出，这并不是神奇的新元素，而是普通元

素如铁、钙等剥离掉多个外层电子之后形成的离子产生，这类谱线在量子物理上被称为

“禁线”。日冕气体非常稀薄，但温度却高达百万度，铁原子在这样的高温下失去9个、

10个电子，就可以发射这类谱线。
这样，通过“神秘元素”揭示出来日冕的一种奇异的性质：如果把太阳比做一个“炉
子”的话，按照我们日常经验，离炉子越远，温度就会越低，但太阳却是一个反常的
“炉子”， 离开太阳越远，日冕的温度就越高，太阳本体的温度才不到6000度，但日冕

的温度高达数百万度，这个“炉子”是怎么把它周围的大气加热到百万度高温的？这个

谜团至今仍未得到解决。
日冕的亮度只有太阳本体的百万分之一，大约相当于满月的亮度。在地球上，只有发生

日全食的时候才能看得到，呈现银白色，像是太阳的一顶帽子。日冕的形状同太阳活动

有关，在太阳活动比较活跃的年份，日冕在各个方向上都有分布，大致呈圆形，而在太

阳比较宁静的年份形状比较扁，主要沿着赤道方面分布。由于磁场的存在，日冕呈现丰

富的结构，在两极很像磁铁吸附铁屑形成的花纹，在赤道方向则如同被风吹动的羽毛。

有些科学家怀疑，从太阳本体喷发产生的磁场如同一条绳索，挟裹能量冲向太空，然后

在日冕层中释放，从而将日冕加热到难以想象的高温。但是具体是如何加热的，还没有

一致的看法。所以每逢日全食发生的时候，天文学家们总是不远万里，奔赴到可以看到

日全食的高山沙漠，目的就是取得日冕的长时间变化资料，希望能够破解这个谜团。

在科学探索历史中，日全食不仅曾经做出极其出色的贡献，今后仍具有无穷的潜在价
值。而它的罕见与其带给人们的震撼，也正吸引着更多的发烧友追逐它，用日全食观测

家齐克尔（Zirker）的话说：“假如你连一次壮观的日食都没有体验过，你就不能说自

己的一生是完美的”。