日食与太阳观测

天上的阴影:日食与太阳观测

经过漫长而艰难的岁月，人类才终于了解，地球并不是一个特别的地方。它不在宇宙的中心，银河系中可能有数以百万像地球一样的行星，我们甚至可能不是唯一一个拥有生命的地方。

但是我们的蓝色家园仍有一个特别之处。这就是空间与时间上的巧合，这在太阳系的所有卫星与行星中是绝无仅有的。太阳比月球大得多——大约400倍——但它与我们的距离与月球相比也是400倍。这两种作用相互抵消，因此我们从地球上看去，月亮和太阳在天上看起来一样大小。

通常来说，我们几乎不会注意到这一点。一方面，太阳如此之亮，所以要想观察它很难，这就使得它的大小很难判断。另一方面，当月亮和太阳在天上相互离得很近时，月亮呈细细的娥眉形，且很难看到。（要获得更多有关月亮相对于太阳的位置与形状的内容，可参见“月相”一章。）

但是有一个时机可以非常明显地看到它们的视大小相同，这就是当月亮刚好从太阳前面经过之时。其时，月亮挡住了太阳，而我们会看到被称作日食的现象。食开始时很小，只有一小块太阳被月亮的边缘遮住。但随着月球的绕地轨道运动扫过太阳，太阳越来越多地消失在月球边缘后面。我们看到月球的轮廓——一个黑色的圆盘缓缓地掩住了太阳。最终，太阳的整个盘面都被挡住了。其时，天空变成深蓝、几近紫色，如同日落一般。温度下降，小鸟停止歌唱，而蟋蟀则高声鸣唱，这就好像在白天插进了一小段夜晚时光。

这实在很古怪，但是在全食时刻，当太阳的盘面被月球全部掩盖住，被称作日冕的太阳外层大气会骤然进入人们的视野。因为太阳表面在平常时候要亮得多，而小束状、轻飘的日冕像晕或光环一样围绕着太阳，所以日冕通常是看不到的。当日冕可见时，观察者几乎都会因敬畏与喜悦而屏住呼吸，有人甚至会为它的纯然之美而落泪。

日食很华美，而且并不经常发生，但它们是可预知的。月球在天上的轨迹被绘制成图表已有数千年之久的历史，古代的天文学家能以也许令人惊异的精确度预报日食。历史记载中关于日食的故事比比皆是，这并不奇怪。马克·吐温（Mark Twain）甚至在他的小说《误闯亚瑟王宫》（A Connecticut Yankee in King Arthur’s Court）中也用过一次。在小说中，一个来自美国的年轻人回到了过去，他被流放到中世纪的英格兰，在经过了各种境遇之后，最终被判烧死在火刑柱上。不过，他碰巧知道有一场日全食即将发生，于是告诉抓捕他的人说，如果不放了他，他就会带走太阳。当然，日食如期发生了，他获得了自由。

这听起来可能很愚蠢，但它是基于一个真实的事件，而主角正是哥伦布（Christopher Columbus）。1503年，在第四次美洲之行期间，哥伦布的船队在牙买加搁浅，船损坏得太严重了不能继续航行。他依靠当地人提供食品和住所，但他们不久就对供给哥伦布及其同伴们这些感到不耐烦。当哥伦布获知后，就想起不久之后将会发生一次月食——地球的阴影投到月球上，使月球黯然无光。正像马克·吐温近400年后重述的一样（将月食换作了日食），这一事件令当地人很恐惧，于是他们请求哥伦布把月亮弄回来。哥伦布做到了，他和同伴们得以继续停留在岛上，直到获救。

有时，事情则与哥伦布的故事正好相反——不能预知日食会给人带来麻烦。在古代中国，预报日食是所有宫庭天文学家的职责。古代中国人认为，日食就是一条巨大的龙吃掉了太阳，而如果预报得足够早，他们就可以用击鼓以及向天上射箭的方式赶走龙。公元前2134年就发生了这样一件事：两个倒霉的（而且可能是杜撰的）天文学家羲和^[1]未能忠于职守。他们知道日食即将来临，但在禀告君王之前他们决定先去小酒馆喝上一口儿，结果喝得太多而忘记了报告这个消息。当日食发生时，他们都睡着了毫无警觉。幸运的是，那个君王有能力“吓跑”那条龙，王国获救了。羲和二人却没有如此幸运。他们被抓了起来，押到君王面前，他们理所当然地要受到严惩，并毫无悬念地被砍了头。根据传说，君王把他们的头向空中抛去，抛得太高了，结果它们变成了星星，在英仙座与仙后座之间隐约可见。（今天我们已经知道，这两个暗弱的天体是数以千计的恒星组成的星团^[2]，它们在小型望远镜中看起来非常漂亮——显然，与这个来自古代中国的传说故事所带给我们的想象相比，它们要漂亮得多。）由此引出的教训在今天仍有意义：先发布日食，然后再去——比方说——酒吧这样的地方。

甚至今天，人们对日食仍有种迷信式的恐惧。1999年8月发生过一次全欧洲皆可看到的日全食，其后，我与一位来自波斯尼亚的年轻女孩通过电子邮件交谈，当时波斯尼亚正在遭受着可怕的战争。她看到日食期间空无一人的街道，以及张贴出来的警告——提醒人们暴露在危险的太阳射线之下会有性命之虞。她受到震动，并因此感到悲哀。人们似乎并没有什么充分的理由可担忧，但他们还是因为害怕而不得不躲藏起来。其实，他们所害怕的东西实际上可能会给他们带来不少欢乐，而这正是他们非常需要的。

并非所有日食恐惧都是如此严重。古时候有很多关于日食的传说，这些传说有一个共同的线索就是将太阳吃掉。有的是将日食看作凶兆，因此他们会在日食期间祷告。还有一些则移开他们的目光，以免恶运的符咒落到他们头上……

正是人们的这些观点，将我们引向有关太阳与日食的核心问题，而这些问题既有趣也相当有争议性。你听说过多少次看日食会使人失明？每当日食来临，新闻中就会充斥着警告与告诫。问题是，他们从未确切地说明为什么会使人失明，或是眼睛会受到什么样的损伤。更糟糕的是，他们有时还会对观看日食提出不正确的建议，从而增大了危险程度。

坦白地说，观看日食的确会造成危险。很显然，直视太阳非常痛苦，我们很难直盯着太阳看而不闭眼、流泪或转头。太阳太亮了而无法直视。我所读过的每一本天文学教科书都有一个不要直视太阳的警告，如果你这么做了，哪怕只是短暂一瞥，也有可能对你的眼睛造成永久损伤，这是一个常识。

我有可能在这一章研究有关太阳对眼睛伤害的信息时，偶然发现了一个令人惊异的反讽：裸眼观看日食是危险的，而当没有日食时看太阳，其危险程度要小得多！这看起来好像很矛盾，但它的确与眼睛内部用以防止感光过度的生理机制有关。

关于非日食期间观看太阳所导致的小的、非长期的损伤有大量证据。找到这些信息时我感到震惊；我所接受的教育总是说，裸眼看太阳会导致永久和完全失明。不过，这几乎肯定不是事实。

安德鲁·扬（Andrew Young）是圣迭戈州立大学天文学系的一位助教，他曾收集过数量惊人的有关太阳致盲的误传（参见http://mintaka.sdsu.edu/ GF/vision/Galileo.html）。他的研究与几乎所有关于太阳致盲的常识截然相反。他相当有说服力地表明：正常情况下，凝视太阳并不会永久性地损伤你的眼睛。

“眼睛抵制（损伤性的）光的能力刚好够用，”安德鲁·扬告诉我说，这是因为当眼睛暴露于很亮的光下时，瞳孔会剧烈收缩，阻断大部分的光进入眼睛。当人们对太阳投去匆匆一瞥时，大多数人的视网膜并不会感光过度。扬引用了发表在《数学生物物理学通报》（Bulletin of Mathematical Biophysics）^[3]上的论文《因太阳观测脉络膜视网膜温度的增加》（Chorio-retinal Temperature Increases from Solar Observation），该文作者称，在正常的情况下，眼睛瞳孔的收缩会阻止大量来自太阳的光，防止视网膜受到实际的伤害。视网膜组织温度稍有上升（4℃），但极大的可能性是，这还不足以导致永久损害。

不过，不同的人，其瞳孔收缩量也存在天生的差异，这意味着，有一些人还是可能会因此而致视网膜损伤。这些人在患太阳视网膜病——由于看太阳而致眼睛损伤——的病人中占大多数。

根据英国伦敦穆尔菲尔兹眼科医院医生的说法，观察太阳会导致眼睛损伤，但不会造成完全失明。他们在医院网站^[4]上发布报告称，该院眼睛损伤的患者中有一半完全康复，只有10%的人永久失明，而极有意思的是，从没有任何一位患者因太阳视网膜病而完全失明。

因此，伤害是有的，有时还会很严重，但大多数人都可以康复，而且没有人因为看太阳而致完全失明。不过，由于人与人之间瞳孔收缩的天生差异，我认为还需要强调的是，虽然匆匆瞥一眼太阳可能很安全（或至少不会太危险），但盯着太阳看还是会导致伤害。伤害很可能极小，但为什么要冒险呢？不要尝试盯着太阳看，匆匆一瞥也要设法减到最小程度。你可能会成为因看太阳而致眼睛损伤的人群中的一员。

那么，假如满日看来不大会有危险，为什么观察日全食会导致眼睛损伤呢？日食期间，太阳大部分或全部被月亮挡住。不过，考虑一下观看日食时我们的眼睛内部发生了些什么。日全食期间，太阳表面完全被月球掩盖，因此天空变得黑暗。这时，我们的瞳孔放大了；就是说，它张开得很大。这样一来会有更多光进入，以便我们在黑暗中可以看得更清楚。

月球完全挡住太阳的盘面至多几分钟。当日食的这个阶段结束的瞬间，突然一小条太阳光露了出来。尽管这时的阳光总量比非日食期间少，但太阳各个部分还是会产生同样多的阳光。换言之，即使挡住了太阳表面的99%，余下的1%仍然很亮——它是满月亮度的4000倍。日食并不像滤光器那样，可以挡住射向眼睛的光。暴露的太阳任何一片区域都能将具有伤害性的光会集到我们的视网膜，从而导致其受伤。

因此，当太阳重新可见时，我们的瞳孔已经张开很大，所有的光都会射向视网膜，阳光会给眼睛造成真正的伤害。比较蓝的光会导致视网膜内发生光化学变化，致其受伤，尽管极有可能并不是永久的损伤。在安德鲁·扬看来，这一影响对孩子来说更为糟糕，因为随着年龄增长，我们眼睛里的晶状体会变成淡黄色。这阻挡了蓝色光，可以更好地保护较成熟的视网膜免受伤害。不过，孩子们的晶状体还很清澈，从而使有害光得以通过。因此，观看日食很危险，对孩子们来说危险尤甚。

我在这里将要着重提到的是，日冕发射出的X射线会损伤我们的眼睛，这是另一个有关日食的普遍误解。日冕温度极高，但却非常稀薄，因而一般亮度的太阳就完全可以盖过它，这使得在白天观察日冕格外地难。

日冕温度如此之高，因此能发出X射线。大多数人都知道X射线是危险的；毕竟，当你去牙医那里照X光片时，必须得穿上铅防护服。因此，很多人将这两个事实搅在一起，想当然地认为在日食期间会导致眼睛受损的是日冕。

这是错误的。天空中任何来源的X射线都无法穿透地球大气层，大气层实际上可以吸收来自太空的任何X射线光子。它如同防护服一样保护着我们。即使这样的大气层不存在，日冕也简直是太微弱而不会伤害到我们的眼睛。记住：无论日食发生与否，日冕都在那儿；它只是太微弱了而无法看到。因此，如果日冕有可能在日食期间伤害到我们的眼睛，那么它在任何其他时候也有可能。而事实上，日冕并不会弄伤我们。

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有几种方法可以让我们享受日食带来的乐趣而不会让眼睛冒风险。我们可以用望远镜或双筒镜将太阳的像投射到一张纸或一面墙上；还可以戴上像焊工戴的黑色护目镜，确认它的遮光号为14，这样它们就会足够黑戴起来很舒适。

我们还可以在望远镜或双筒镜上使用一个太阳滤光片，但只能是装在主透镜或主反射镜前那种。首先，这会阻挡掉大部分的光进入望远镜的光学系统。一些公司出售的滤光片是装在目镜前的，以挡住离开光学系统的光。但是，光学系统会将所有的阳光都聚集到滤光片上，以致滤光片的温度很高。这种滤光片曾经发生过熔化或爆裂的情况。我听说过一个太阳滤光片爆炸的报道！那已经非常糟糕了，但另一方面，我们的眼睛还会被所有光学系统聚焦的阳光所充斥。这里得到的教训就是：不要用这样的装置。

还有一点是，不要用未曝光的胶片来挡住阳光，尽管的确存在这样的建议。即使如CNN网站这样高品质的新闻来源也曾声称，以这种方式观看日食是安全。这实际上是一种非常危险的观看方式；它使较少可见光通过，因此瞳孔会放大。但它挡不住具有危险性的波长的光，这样一来，更有伤害性的光会充斥我们的眼睛。幸运的是，CNN在收到我和其他数百人发出的大量电子邮件后，在网站迅速做出了更正。

日食并不经常发生，而且它们发生的地点分散在地球上不同的地区。我已经看到十几次日偏食了，但从未看过日全食。希望有一天我能亲眼看到日全食，在观看时我会小心行事。

最好得抓紧点时间。正如在“万有引力”一章中所讨论的，月球正在缓慢地后退，远离地球。尽管它一年只移远大约4厘米（2英寸），但随着时间的积累，当它离得越来越远时，它看上去也将越来越小。这最终意味着它看上去将会太小，因而无法完全掩住太阳而形成日全食。取而代之的是，我们将看到日环食，这时形成的日食是由于月球看上去比太阳稍小，因此会看到环绕在月球黑暗的盘面四周的日环。我们现在能看到日环食是因为月球轨道是椭圆形的，当月球处于其轨道远地点时发生的日食则为环食。但是最终无论什么时候都将会发生日环食。日冕会永远被太阳的光芒遮住，日食将会很有趣，但却缺少了它们现在所具有的冲击力。这就是为什么在本章的开头我说日全食是一个空间和时间的巧合。如果有足够的时间，它们将不再发生。

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在结束本章之前，我要拆解另一个误解。伽利略（Galileo）因为用自制望远镜观察太阳而致盲，这是一个流传甚广的故事。我自己就曾讲过，甚至一度放在我的网站上。安迪·杨（Andy Young）为此写了邮件给我并提出更正。

伽利略的确失明了。不过，那并不是因为观察太阳所致。伽利略很快发现通过他的小望远镜看太阳是一种相当痛苦的体验。最初，他只是在日落之前观察太阳，其时太阳暗淡得多，而且对眼睛来说也较为安全。不过，他后来使用了投影的方法去观察太阳及太阳黑子。他只需要将望远镜瞄准太阳，并且将太阳图像投射到一张纸或一面墙上，就可以得到一个大得多的太阳图像。这一方法简易得多，而且还可以得到更便于研究的大图像。

当然，由于望远镜将阳光聚拢并汇集到我们眼中（你可以用一个放大镜点着一片树叶，其方法几乎是一样的），因此使用望远镜观察太阳的确会对眼睛造成伤害。不过，这种伤害会在观测太阳之后迅速发生，而伽利略直到七十几岁时才失明，这是他进行太阳观测数十年后了。有大量文件证据表明，他在其间这些年里视力相当不错。伽利略在晚年深受白内障和青光眼之苦，但这很显然并不是由于他的望远镜观测所致。

伽利略的太阳黑子观测引起了不小的轰动；天主教会曾认为太阳是无瑕而完美的。再加上对木星、金星、月球以及银河本身的观测，他从根本上改变了我们对科学、我们自身以及我们对宇宙观察与思考的方式。如此简单的故事，我们却还会搞错。也许我们就是偶或盲目轻率的那类人。

【注释】

[1]羲氏与和氏的并称。《尚书·尧典》记载，“乃命羲和，钦若昊天，历象日月星辰，敬授人时”，即派遣羲仲、羲叔、和仲、和叔两对兄弟分驻东南西北四方，以观天象，制订历法。——译者

[2]即英仙座h-χ双星团（NGC869和NGC884），位于英仙座和仙后座之间的天区中。——译者

[3]参见1971年第33卷，第1—17页。

[4]参见http://www.moorfields.org.uk/ef-solret.html。