之涵/編譯

日食的科學(xué)與藝術(shù)

之涵/編譯

漂亮而又令人費(fèi)解的日食是自然界發(fā)生的罕見現(xiàn)象，對(duì)這一現(xiàn)象的研究由來已久，涉及領(lǐng)域也頗為廣泛，包括神秘主義、宗教和科學(xué)等等。有趣的是，這幅由16世紀(jì)藝術(shù)家安托萬·卡隆創(chuàng)作的繪畫首次被倫敦考陶爾德藝術(shù)學(xué)院購得時(shí)被命名為《天文學(xué)家研究日食》

● 經(jīng)過150年的探索之后，我們對(duì)伴隨日食出現(xiàn)的日冕現(xiàn)象有了深入的了解。

16世紀(jì)的法國是一個(gè)宗教教義與迷信思想難以和諧共存的社會(huì)，自然界中被探測(cè)到的不尋常事件均被認(rèn)為具有隱秘的含義。當(dāng)時(shí)的人們認(rèn)為，像日全食這樣的另類事件肯定蘊(yùn)藏著某種奧秘。正是在這種社會(huì)背景下，皇后凱瑟琳·德·梅第奇(Catherine de Medici)的宮廷畫家安托萬·卡隆(Antoine Caron)通過繪畫對(duì)日食場(chǎng)景進(jìn)行了描繪（如圖所示）。如今，該作品收藏于洛杉磯保羅·蓋蒂博物館，標(biāo)題為《最高法院法官狄俄尼索斯轉(zhuǎn)化異教哲學(xué)家》（這也被認(rèn)為是其最初的標(biāo)題）。與卡隆的神學(xué)渲染相比，近來對(duì)日食的研究主要集中于引起該現(xiàn)象的物理力以及由日食引發(fā)的顯著視覺效應(yīng)。

據(jù)考證，對(duì)日食的現(xiàn)代研究大約始于1860年。當(dāng)時(shí)的研究人員一致認(rèn)為，環(huán)繞太陽黑暗體的發(fā)光區(qū)域的外觀——日冕——實(shí)際上是太陽的大氣層。地球上的觀測(cè)者平常無法看見這種大氣，而只有在出現(xiàn)日食時(shí)才能一睹芳容，因?yàn)榇藭r(shí)月球遮擋了更為明亮的太陽直射光線。早期研究的目的是確定日食期間顯現(xiàn)的白光的亮度在空間如何分布。盡管最初的這些研究主要通過視覺觀察和攝影以及后來的定量測(cè)量進(jìn)行，但最終是藝術(shù)家霍華德·羅素·巴特勒(Howard Russell Butler，1856—1934)創(chuàng)作的一系列鮮為人知的繪畫為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供了所需的拼圖。

藝術(shù)捕捉的視覺感知

當(dāng)談到關(guān)于視覺現(xiàn)象的學(xué)術(shù)研究時(shí)，“眼見為實(shí)”這句諺語其實(shí)是一個(gè)陷阱。通過“所見”在大腦中產(chǎn)生的圖像可能會(huì)與照片大相徑庭，在努力準(zhǔn)確捕捉太陽日冕視覺感知時(shí)，這一點(diǎn)尤為明顯。巴特勒擁有非凡的才能，其繪畫能夠再現(xiàn)眼睛看到的一切，而且比之前或之后的任何作品都更令人信服。他畫技高超，能夠根據(jù)記憶將短時(shí)間內(nèi)看到的東西畫入畫中——如日出和日落景象，而這一技能讓他在創(chuàng)作只能持續(xù)數(shù)分鐘時(shí)間的日食繪畫時(shí)如魚得水。他還創(chuàng)作肖像畫，其中最負(fù)盛名的是著名的慈善家和實(shí)業(yè)家安德魯·卡內(nèi)基(Andrew Carnegie)的肖像畫。在創(chuàng)作這類畫作時(shí)，他始創(chuàng)了另一項(xiàng)讓他的創(chuàng)作輕松自如的技能：希望減少繪畫主體的靜坐時(shí)間，并發(fā)展了一套速記草圖系統(tǒng)，用以記錄特定的色彩、陰影和特征，以供之后參考。

巴特勒創(chuàng)作的關(guān)于1932年日食（上圖）的繪畫因其精確性而得到認(rèn)可，但與天文學(xué)家哈珀·霍爾(G.Harper Hall)拍攝的同一事件的照片（中圖）的相似性仍然極小。最近，配有徑向分級(jí)濾光器的紐克相機(jī)意外地能夠模仿人類視覺系統(tǒng)中眼睛和大腦的工作方式，從而捕捉到巴特勒畫中冕流的虛幻景象（下圖）

然而，巴特勒最重要的資歷是他曾在新澤西大學(xué)（現(xiàn)在的普林斯頓大學(xué)）學(xué)習(xí)過物理與電氣工程，并于1876年獲得了學(xué)位。1918年，當(dāng)他受邀參加美國海軍天文臺(tái)組織的日食觀測(cè)時(shí)，這種學(xué)術(shù)背景讓他受益匪淺。盡管此前他從未見過日食，但他起草了細(xì)致入微的科學(xué)計(jì)劃，并利用自己能夠繪制瞬態(tài)現(xiàn)象的藝術(shù)加以執(zhí)行。見過日食而且看過巴特勒繪畫作品的天文學(xué)家將其作品視為完美的奇跡——無論是形式還是色彩，這都是一件兼具精確和現(xiàn)實(shí)等優(yōu)勢(shì)的藝術(shù)作品。

將巴特勒的繪畫與其下方的兩幅照片對(duì)比會(huì)發(fā)現(xiàn)很多問題。照片中的亮度分布為什么與巴特勒繪畫中的亮度分布不同？中間那幅球狀日冕照片中為什么沒有繪畫中出現(xiàn)的冕流？繪畫和照片之間，哪一幅呈現(xiàn)的是真實(shí)的日冕現(xiàn)象（如果有一幅是的話）？

成像與現(xiàn)實(shí)

要回答這幾個(gè)問題，必須有一套適用于各種情況的標(biāo)準(zhǔn)，還必須以此為前提：圖像只是定量測(cè)量（或者換而言之，分布于空間的亮度數(shù)值）的反映。因?yàn)槎繙y(cè)量代表真正的亮度，所以它們對(duì)于理解和驗(yàn)證用于科學(xué)目的的圖像至關(guān)重要。例如，采用等照度線（或者亮度保持恒定的輪廓）表示白光在整個(gè)圖像中的分布情況就是一種有用的定量方式，就像等高線圖上的等高線一樣。

例如2006年3月29日的日食的球狀日冕及其相應(yīng)等照度線圖像。（我們選擇了這次最近發(fā)生的日食，因?yàn)楫?dāng)時(shí)測(cè)量的等照度線比之前的日食更為精確。）

這張毫不引人注目的2006年的日食照片顯示，日冕的白光分布為球狀，在內(nèi)側(cè)邊緣（上圖）亮度最大。光線亮度的層次可用等照度線的形式劃分，并像等高線圖上的等高線一樣疊加在照片上（下圖）

當(dāng)?shù)日斩染€疊加在球狀日冕上時(shí)，離邊界最近的等照度線與日冕的形狀相吻合。這種情況在意料之中，因?yàn)楸蝗烁兄娜彰嵝螤钣闪炼乳撝奠`敏度決定，而其亮度水平則由離該形狀最近的等照度線決定。在用更少的曝光時(shí)間拍攝圖像捕捉到更少的光時(shí)，成像日冕就會(huì)縮小，但其形狀在較低高度時(shí)仍與相關(guān)的等照度線相吻合。

用等照度線來表示亮度揭示了圖像本身無法清晰顯示的白光日冕的另一個(gè)重要定量屬性。它的亮度因?yàn)榕c太陽圓盤的徑向距離而急劇下降。在離太陽邊緣僅僅一個(gè)太陽半徑的地方，亮度只是其1/100。由于攝影成像的動(dòng)態(tài)范圍有限，顯示有擴(kuò)展日冕的圖像上的內(nèi)冕亮度可達(dá)到飽和狀態(tài)。不過，外冕（日冕亮度處于非飽和狀態(tài)的地方）形狀與各種高度的等照度線之間的巧合驗(yàn)證了球狀日冕能夠代表白光亮度的真正分布狀況——現(xiàn)實(shí)情況就是這樣。

感知錯(cuò)覺

有人可能會(huì)問，在巴特勒繪制的日冕形狀中，等照度線為什么無法識(shí)別？這一明顯的矛盾源自我們視覺背后的物理約束。人類的眼睛和大腦的動(dòng)態(tài)范圍極大，因此，無論是晴空萬里還是月光婆娑，事物都無法逃過我們的眼睛，但人類的眼睛和大腦只有通過利用被稱作亮度適應(yīng)的現(xiàn)象改變總體靈敏度才能達(dá)到這個(gè)范圍。我們不會(huì)有意識(shí)地去感知這一現(xiàn)象，但從明亮的大廳走進(jìn)漆黑一片的電影院時(shí)，我們會(huì)考慮這一問題，然后等待我們的眼睛去適應(yīng)突如其來的黑暗。

亮度適應(yīng)必須付出代價(jià)。單獨(dú)看時(shí)，我們可以在日光和黑暗的陰影中識(shí)別變化，但它們相繼出現(xiàn)時(shí)，我們同時(shí)辨別變化的能力比適應(yīng)范圍要小得多。在日常生活中，這種限制不成問題，因?yàn)檠劬痛竽X遇到日冕這種帶有超過兩個(gè)數(shù)量級(jí)亮度動(dòng)態(tài)范圍的物體的情況極為罕見。面對(duì)這種非凡景觀，眼睛和大腦的首要任務(wù)是識(shí)別視線內(nèi)的物體：難怪要通過形成一種錯(cuò)覺來應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。這樣，問題就變成：錯(cuò)覺的本質(zhì)是什么？

由地面高地天文臺(tái)莫納羅亞山日冕光度計(jì)拍攝的 1997年1月17日白光日冕圖像再現(xiàn)了分散的極冕洞和冕流偽影（上圖）。當(dāng)亮度和對(duì)比度增強(qiáng)時(shí)（下圖），分散的極冕洞的錯(cuò)覺消失不見

已處理圖像的偽影

這一問題在20世紀(jì)60年代有了答案。當(dāng)時(shí)，位于科羅拉多州博爾德科的高地天文臺(tái)開發(fā)出一款專用相機(jī)，其功能與人類視覺系統(tǒng)非常相似。這款紐克相機(jī)配備了徑向分級(jí)濾光器，用于補(bǔ)償急劇下降的亮度。正如在巴特勒的繪畫中顯示的那樣，紐克相機(jī)拍攝的圖像經(jīng)過處理后，其日冕形狀與等照度線輪廓毫無相似之處，而除非通過修正以便于濾光，否則無法表示日冕真正的亮度分布。因此，日冕明顯的鋸齒狀形狀是偽影。此外，巴特勒創(chuàng)作的1932年日食畫中的日冕與紐克相機(jī)拍攝的1994年日食照片中的日冕驚人地相似，這表明冕流不僅是已處理圖像的偽影，也是視覺感知的錯(cuò)覺。

由紐克相機(jī)提供的關(guān)于肉眼如何識(shí)別日冕的見解非常寶貴。通過展現(xiàn)冕流的形成過程，它揭示了光學(xué)錯(cuò)覺的工作方式。這一結(jié)果并不太令人驚訝，因?yàn)槭褂眉~克相機(jī)的目的是為了在一次曝光中通過抑制更明亮的內(nèi)冕捕捉日冕亮度較大的動(dòng)態(tài)范圍——這一目標(biāo)明顯與視覺感知相似。

是偽影而非錯(cuò)覺

冕流并不是已處理圖像的唯一偽影。另一種偽影是所謂的冕洞，它們經(jīng)常在日冕底部作為黑暗區(qū)域出現(xiàn)于兩極，并隨著高度的增加而不斷延伸并增加。在巴特勒繪畫捕捉的錯(cuò)覺中，明顯不存在這類冕洞，這一點(diǎn)可從本文以及我在2010年發(fā)表于《美國科學(xué)家》雜志的文章中配文刊發(fā)的其他繪畫作品中看到。由于該圖像的亮度靈敏度不足，所以紐克相機(jī)明顯抑制了內(nèi)冕的亮度，以至于在冕洞中無法探測(cè)到亮度。當(dāng)已處理圖像的亮度增加時(shí)，這些冕洞就會(huì)消失，那些處理過的圖像也變得和巴特勒的繪畫一樣。

雖然極冕洞只是偽影，但它并非是像冕流一樣的視錯(cuò)覺。冕洞并不會(huì)在定量測(cè)量中出現(xiàn)，在球狀日冕繪畫或未處理圖像中也不明顯。對(duì)日冕進(jìn)行成像幾十年之后，發(fā)現(xiàn)常見于當(dāng)今大多數(shù)日食照片中不同的極冕洞實(shí)際上并不存在，這一點(diǎn)讓人頗為驚訝。相反，它們只出現(xiàn)于已處理圖像中——也就是在那些為了調(diào)節(jié)亮度而經(jīng)過處理的圖像中——或者是精選徑向分級(jí)濾光器的結(jié)果。因此，從兩個(gè)方面來說，無論是因?yàn)槿祟惢顒?dòng)還是人為選擇，冕洞都是一種偽影。

用感知心理學(xué)家克勞斯-克里斯蒂安·卡本(Claus-Christian Carbon)的話說，“感知錯(cuò)覺可能會(huì)很有趣，但理解其工作原理甚至?xí)钊伺d奮并更具有可持續(xù)性……從科學(xué)角度而言，產(chǎn)生錯(cuò)覺并非主要為了揭示我們的感知錯(cuò)誤或我們的設(shè)備出現(xiàn)障礙，而是為了展現(xiàn)人類感知的特殊力量。”巴特勒的繪畫作品不僅表明人類感知決定了日冕最明亮的部分位于其底部，也表明太陽四周的亮度具有連續(xù)性。能夠認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，并從日冕錯(cuò)覺中排除冕洞的存在，證明了人類感知的力量。

追蹤太陽風(fēng)

被稱作太陽風(fēng)的太陽膨脹大氣由從太陽高速釋放的帶電粒子組成，“尤利西斯”太空任務(wù)開展的無線電掩星觀測(cè)對(duì)其起源和演化進(jìn)行了探索（“尤利西斯”是第一艘利用無線電測(cè)量確定電子密度空間分布，從而確定日冕脆弱極地亮度的宇宙飛船）。盡管“尤利西斯”任務(wù)獲得了豐碩而且準(zhǔn)確無誤的無線電成果，但卻與我和莎迪婭·哈巴爾(Shadia Habbal)于2002年在《美國科學(xué)家》雜志討論的關(guān)于太陽風(fēng)的主流觀點(diǎn)不一致。

1995年，當(dāng)我第一次在印度參與日食觀測(cè)時(shí)，最令我驚訝的是用個(gè)人照相機(jī)拍攝的照片與教科書上看到的完全不同。20年后，當(dāng)我發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證視覺感知、攝影成像和物理測(cè)量之間的關(guān)系揭示了一個(gè)潛藏已久的錯(cuò)誤——在當(dāng)時(shí)，認(rèn)為太陽風(fēng)是氣流的觀點(diǎn)具有科學(xué)性，這同樣讓我驚詫不已。該錯(cuò)誤乃是基于對(duì)不同極性的冕洞的假設(shè)性觀測(cè)結(jié)果——我們現(xiàn)在知道，這種觀測(cè)結(jié)果是人為制造的偽影。

如果你有幸能夠親眼見證即將在2017年爆發(fā)的本世紀(jì)第一次可在美國看到的日全食，請(qǐng)你用相機(jī)或智能手機(jī)拍下幾張快照。在你的照片中，將能夠捕捉到像一個(gè)世紀(jì)以前的照片中的球狀日冕。雖然你將無法看到見于眾多天文照片中的冕洞或冕流，但請(qǐng)不要感到失望——就亮度分布而言，真理在你手中。在剩下的時(shí)間里，你可以去尋找內(nèi)冕中的冕洞。盡管會(huì)無功而返，但你會(huì)明白個(gè)中原因。然后將注意力轉(zhuǎn)移至外冕，努力找出伸展的冕流，同時(shí)將格里菲斯天文臺(tái)負(fù)責(zé)人愛德華·克虜伯(Edward Krupp)的建議謹(jǐn)記于心：“雖然日冕的行為具有欺騙性，但眼睛對(duì)大腦耍的計(jì)謀仍不失為一種快樂?！?/p>

[資料來源：American Scientist][責(zé)任編輯：絲 絲]

本文作者理查德·吳（Richard Woo）是美國加州理工學(xué)院國家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的資深研究員，他過去52年的研究主要集中在太陽與行星大氣的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)方面以及利用宇宙飛船無線電信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。