日食的科學(xué)與藝術(shù)

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(jiàn)現(xiàn)象，對(duì)這一現(xiàn)象的研究由來(lái)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(wàn)·卡隆創(chuàng)作的繪畫(huà)首次被倫敦考陶爾德藝術(shù)學(xué)院購(gòu)得時(shí)被命名為《天文學(xué)家研究日食》

● 經(jīng)過(guò)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(guó)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(lèi)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(huà)家安托萬(wàn)·卡隆(Antoine Caron)通過(guò)繪畫(huà)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(lái)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(jué)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(yáng)黑暗體的發(fā)光區(qū)域的外觀——日冕——實(shí)際上是太陽(yáng)的大氣層。地球上的觀測(cè)者平常無(wú)法看見(jiàn)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(yáng)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(guò)視覺(jué)觀察和攝影以及后來(lái)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(huà)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(jué)感知

當(dāng)談到關(guān)于視覺(jué)現(xiàn)象的學(xué)術(shù)研究時(shí)，“眼見(jiàn)為實(shí)”這句諺語(yǔ)其實(shí)是一個(gè)陷阱。通過(guò)“所見(jiàn)”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(yáng)日冕視覺(jué)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(huà)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(huà)技高超，能夠根據(jù)記憶將短時(shí)間內(nèi)看到的東西畫(huà)入畫(huà)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(huà)時(shí)如魚(yú)得水。他還創(chuàng)作肖像畫(huà)，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(huà)。在創(chuàng)作這類(lèi)畫(huà)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(huà)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(huà)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(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)中眼睛和大腦的工作方式，從而捕捉到巴特勒畫(huà)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(guò)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(guó)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(jiàn)過(guò)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(jiàn)過(guò)日食而且看過(guò)巴特勒繪畫(huà)作品的天文學(xué)家將其作品視為完美的奇跡——無(wú)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(huà)與其下方的兩幅照片對(duì)比會(huì)發(fā)現(xiàn)很多問(wèn)題。照片中的亮度分布為什么與巴特勒繪畫(huà)中的亮度分布不同？中間那幅球狀日冕照片中為什么沒(méi)有繪畫(huà)中出現(xiàn)的冕流？繪畫(huà)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(wèn)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(lái)表示亮度揭示了圖像本身無(wú)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(yáng)圓盤(pán)的徑向距離而急劇下降。在離太陽(yáng)邊緣僅僅一個(gè)太陽(yáng)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(guò)，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(jué)

有人可能會(huì)問(wèn)，在巴特勒繪制的日冕形狀中，等照度線為什么無(wú)法識(shí)別？這一明顯的矛盾源自我們視覺(jué)背后的物理約束。人類(lèi)的眼睛和大腦的動(dòng)態(tài)范圍極大，因此，無(wú)論是晴空萬(wàn)里還是月光婆娑，事物都無(wú)法逃過(guò)我們的眼睛，但人類(lèi)的眼睛和大腦只有通過(guò)利用被稱(chēng)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(wèn)題，然后等待我們的眼睛去適應(yīng)突如其來(lái)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(wèn)題，因?yàn)檠劬痛竽X遇到日冕這種帶有超過(guò)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(jiàn)。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(guò)形成一種錯(cuò)覺(jué)來(lái)應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。這樣，問(wèn)題就變成：錯(cuò)覺(jué)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(jué)消失不見(jiàn)

已處理圖像的偽影

這一問(wèn)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(kāi)發(fā)出一款專(zhuān)用相機(jī)，其功能與人類(lèi)視覺(jué)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(huà)中顯示的那樣，紐克相機(jī)拍攝的圖像經(jīng)過(guò)處理后，其日冕形狀與等照度線輪廓毫無(wú)相似之處，而除非通過(guò)修正以便于濾光，否則無(wú)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(huà)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(jué)感知的錯(cuò)覺(jué)。

由紐克相機(jī)提供的關(guān)于肉眼如何識(shí)別日冕的見(jiàn)解非常寶貴。通過(guò)展現(xiàn)冕流的形成過(guò)程，它揭示了光學(xué)錯(cuò)覺(jué)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(guò)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(jué)感知相似。

是偽影而非錯(cuò)覺(jué)

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(huà)捕捉的錯(cuò)覺(jué)中，明顯不存在這類(lèi)冕洞，這一點(diǎn)可從本文以及我在2010年發(fā)表于《美國(guó)科學(xué)家》雜志的文章中配文刊發(fā)的其他繪畫(huà)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(wú)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(guò)的圖像也變得和巴特勒的繪畫(huà)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(jué)。冕洞并不會(huì)在定量測(cè)量中出現(xiàn)，在球狀日冕繪畫(huà)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(jiàn)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(guò)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(lái)說(shuō)，無(wú)論是因?yàn)槿祟?lèi)活動(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(shuō)，“感知錯(cuò)覺(jué)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(jué)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(lèi)感知的特殊力量?！卑吞乩盏睦L畫(huà)作品不僅表明人類(lèi)感知決定了日冕最明亮的部分位于其底部，也表明太陽(yáng)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(jué)中排除冕洞的存在，證明了人類(lèi)感知的力量。

追蹤太陽(yáng)風(fēng)

被稱(chēng)作太陽(yáng)風(fēng)的太陽(yáng)膨脹大氣由從太陽(yáng)高速釋放的帶電粒子組成，“尤利西斯”太空任務(wù)開(kāi)展的無(wú)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(wú)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(wú)誤的無(wú)線電成果，但卻與我和莎迪婭·哈巴爾(Shadia Habbal)于2002年在《美國(guó)科學(xué)家》雜志討論的關(guān)于太陽(yáng)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(shū)上看到的完全不同。20年后，當(dāng)我發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證視覺(jué)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(yáng)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(jiàn)證即將在2017年爆發(fā)的本世紀(jì)第一次可在美國(guó)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(wú)法看到見(jiàn)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(wú)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(ài)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(lè)。”

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

本文作者理查德·吳（Richard Woo）是美國(guó)加州理工學(xué)院國(guó)家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的資深研究員，他過(guò)去52年的研究主要集中在太陽(yáng)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(wú)線電信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。