伽利略對太陽黑子的發(fā)現(xiàn)和論證

袁 玲

（上海交通大學科學史與科學文化研究院，上海 200240）

太陽黑子是太陽表面的低溫區(qū)域，是一種典型的太陽活動，但歷史上發(fā)現(xiàn)太陽黑子的過程卻是漫長且艱辛的，尤其是在西方，自從中世紀時期神學家圣托馬斯·阿奎那（Thomas Aquinas，約1225-1274年）將亞里士多德（Aristotle，公元前384-332 年）的宇宙學理論與基督教教義結(jié)合以后，“月上世界是完美的”觀念就逐漸成為了神圣且不可侵犯的教條。在這種思想觀念的支配下，歐洲漫長的歷史中關(guān)于太陽黑子的記錄屈指可數(shù)，直至1609 年，伽利略（Galileo Galilei,1564-1642 年）成功制造了望遠鏡，將其指向天空，不但發(fā)現(xiàn)了太陽黑子，而且論證了太陽黑子的存在，引起社會關(guān)注，才改變了這種狀況。

伽利略發(fā)現(xiàn)太陽黑子一事，在科技史著作中多有記載，并給予高度評價。但是，在中國，早在漢代，人們就發(fā)現(xiàn)了太陽黑子，《淮南子·精神訓》中“日中有踆烏”的記載，就是中國古人發(fā)現(xiàn)太陽黑子的直接證據(jù)，現(xiàn)存漢畫像石中大量日中有三足烏的圖像，也昭示著這一點。那么，伽利略的發(fā)現(xiàn)究竟有何意義？他的發(fā)現(xiàn)與中國人的發(fā)現(xiàn)到底有何不同？要說清楚這一點，就要從他是如何發(fā)現(xiàn)并確認太陽表面有黑子談起。雖然國內(nèi)不少著作都曾提及這個發(fā)現(xiàn)，但是鮮有專門論述該過程的。嘗試在前人研究的基礎上，從伽利略《星際使者》（The Starry Messenger）、《關(guān)于太陽黑子的書信》(The Letters on the Sunspots)以及《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》(Dialogue concerning Two Chief World Systems)等著作著手，進一步探討其發(fā)現(xiàn)太陽黑子的過程。

1 望遠鏡天文學創(chuàng)立之前的太陽黑子記錄

早在望遠鏡發(fā)明之前，人類就已經(jīng)通過肉眼直接觀察到了太陽黑子，例如，在古代中國，天文學家很早就對太陽黑子進行了觀測和記錄。據(jù)李維寶的整理，這些記錄高達112 條[1]。古代中國之所以能夠發(fā)現(xiàn)太陽黑子，是因為中國人沒有信奉“天體完美”的觀念，注意觀察天象變化，特別是由于受天人感應觀念的影響，古人認為太陽上出現(xiàn)黑斑是上天的一種警示，意味著帝王有了過錯，需要及時發(fā)現(xiàn)并采取相應措施[2]。為了鞏固自己的政治地位，歷來帝王對此都極為重視，并且要求天文機構(gòu)安排專人每天觀測天象，相關(guān)記錄自然豐富。

與此形成鮮明對比的是在古代西方。由于受亞里士多德“月上世界是完美的”觀念的影響，希臘人不重視對異常天象的觀察，沒有留下太陽黑子的記錄。到中世紀，基督教神學對該觀念的支持，使日月星辰被賦予了完美的不容有異議的教條形象，誰要是反對亞里士多德就等于反對教會，就會被斥為“異端”，甚至有生命危險。這就導致歐洲人多數(shù)時候?qū)τ谔柡谧右匆暥灰姡措m然見到，卻對之做別的解釋。中世紀歐洲關(guān)于用肉眼觀測太陽黑子的記錄僅有8 條。其中較早的一次記錄是在公元807年8月19日，艾因哈德(Einhard，770～840年)在《查理曼大帝傳》（Life of Charlemagne）一書中聲稱觀測到了太陽上巨大的黑點，并且持續(xù)了7天[3]，不過當時歐洲人誤以為是水星凌日（即地球、太陽、水星在同一直線上，地球與太陽隔水星相對位置時所出現(xiàn)的現(xiàn)象）。之后在公元1128 年12 月8 日，曾經(jīng)參與編著《盎格魯·撒克遜編年史》的伍斯特區(qū)的修道士約翰，在沒有望遠鏡的情況下，繪制了表面有兩個大暗點的太陽圖，當時約翰不僅對這些暗點進行了描繪，更是注意到了它們的外層陰影，這就說明這些黑子應該是很大的。不過上述的這些在當時均未引發(fā)人們的熱議，人們并沒有明確認識到黑子是太陽本身的一部分。

當然，歐洲文獻中還有其余一些關(guān)于太陽黑子的記錄和描述，但是這些發(fā)現(xiàn)要么被無視，要么就是被解釋為“行星凌日”。這一狀況，直至伽利略成功制造了望遠鏡才發(fā)生改變。

2 對太陽黑子研究的起始

1609 年，伽利略在聽聞荷蘭人發(fā)明了一種視遠為近的儀器后，創(chuàng)造性的自制了放大率更高的望遠鏡，并將觀測范圍從地表轉(zhuǎn)向天空，從此揭開了天文學史的新篇章。伽利略邊觀測邊總結(jié)，于1610 年3 月出版了《星際使者》一書，向人們介紹了他的第一批觀測結(jié)果，其中包括對月球表面和木星等現(xiàn)象的最初觀測。這本書的出版，讓伽利略受到了科學界的極大關(guān)注，得以躋身于歐洲著名學者之列。此書出版后，他很快又投入對金星和太陽的觀測中，并且發(fā)現(xiàn)了太陽表面有黑子。

差不多同一時期，英國天文學家、數(shù)學家、翻譯家托馬斯·哈里奧特（Thomas Harriot，1560-1621年）、荷蘭籍天文學家約·法布里休斯（Fabricius Johannes，1587-約1615 年）和他的父親大衛(wèi)·法布里奇烏斯（David Fabricius，1564-1617 年，德籍牧師、天文學家）也都相繼觀察到了太陽黑子。當時第一個發(fā)表相關(guān)內(nèi)容的是約·法布里休斯，接著是德國耶穌會著名的天文學家克里斯托弗·沙伊納（Christopher Scheiner,1575-1650 年），他在寄給奧格斯堡（Augsburh）市長馬克·威爾塞（Marc Welser）的信中，聲稱于1611 年4 月份發(fā)現(xiàn)這些黑點。但由于沙伊納是亞里士多德的擁護者，所以他認為太陽既然是一個完美無暇的天體，自然不可能有斑點，更別說還是不斷變化的黑子了，這些移動著并且會消失的黑斑不過是行星運動到太陽面前而造成的黑影。

1612 年1 月，威爾塞寫信給伽利略，征詢他對黑子的看法，并在信里附上了“友人”阿佩爾斯（Apelles）關(guān)于太陽黑子的論文抄本，不過后來被揭露這個“友人”正是沙伊納。但因為伽利略當時正忙于《水中浮體對話集》（Discourse on Bodies in Water）的寫作，加上對于太陽黑子的觀察也還在起步中，所以直至四個月后才給予回復。

在給威爾塞的第一封信中，伽利略這樣寫道[4]：“請原諒我由于這個問題的新奇與困難而遲疑不決，在這過程中，各種各樣的想法從我的頭腦中通過，時而得到贊成，時而遭到否定，使我感到惶惶不安，不知所措，因為我不喜歡張開了嘴而又不宣傳點什么這種做法。盡管如此，我還是不會絕望地放棄這個工作。”信里的這段回復，不難看出伽利略當時對于太陽黑子的成因問題還是保持著非常謹慎的態(tài)度，并沒有明確的指出黑子是太陽表面的一部分還是“行星凌日”造成的。雖然如此，回信中伽利略對太陽黑子的本質(zhì)還是展開了細致的討論并提出了自己的諸多想法。這封超長的回信讓威爾塞十分感動，后來他又相繼收到了另外兩封關(guān)于太陽黑子的回信，這使他意識到伽利略對于太陽黑子的解釋是非常有意義的，于是聯(lián)系了猞猁學院（Accademic dei Lincei），希望可以把這些關(guān)于太陽黑子的通信放入正在編寫的一套叢書中出版。這個提議很快就被采納了，1613 年春，在猞猁學院的贊助下，《關(guān)于太陽黑子的書信》終于出版了，書的主要內(nèi)容就是伽利略和威爾塞間的通信，里面還包括了伽利略繪制的太陽黑子的運行過程。圖1 是他手繪的1612 年6 月1 日到7月中旬的太陽黑子運行圖。因為這些黑子的位置變化雖然有規(guī)律可循，但其形狀卻是變幻莫測的，為了能夠更加清晰的表現(xiàn)出不同階段黑子的形態(tài)，伽利略將其整個運動過程繪制在一頁，可以看出來，此時他對于太陽黑子的觀測已經(jīng)非常的系統(tǒng)化了。

圖1 伽利略手繪的太陽黑子運行圖

3 伽利略對太陽黑子的論證

在《關(guān)于太陽黑子的通信》中，伽利略和沙伊納進行了辯論，明確表示他不認可這些黑子是行星凌日造成的，指出黑子就存在于太陽表面。除此以外，他更是毫不掩飾地支持哥白尼學說，揭露了亞里士多德和托勒密的錯誤。信中伽利略列出了4個依據(jù)，論證了黑子存在于太陽表面的合理性，具體如下：

首先，這些黑子的數(shù)量和明暗程度會發(fā)生變化，并且還會在短時間里出現(xiàn)和消失。圖2 是伽利略記錄的1612年4月5日、4月12日、4月27日、4月29日、4 月30 日、5 月1 日以及5 月3 日一個太陽黑子的形狀，并以A、B、C、D、E、F、G、H、L進行標記。圖中我們可以清晰地看到這個黑子仿佛是由很多個形狀不齊的東西組成，它們有時分開，有時聚攏，相互調(diào)換著位置，甚至有著產(chǎn)生和分解的過程[5]，這和亞里士多德學派所宣稱的天體是不生不滅的說法完全相悖，而且用行星凌日說也不能解釋這種現(xiàn)象。要說明這一現(xiàn)象，只能承認黑子是太陽表面的一部分，是在太陽表面生成的。

圖2 伽利略繪制的某個太陽黑子的形狀變化

其次，黑子的形狀毫無規(guī)則，并且運行至太陽邊緣時還會發(fā)生縮減。經(jīng)過長期觀察，伽利略發(fā)現(xiàn)大多數(shù)黑子都是形狀不齊的，即便有個別黑子在太陽中心時看上去是圓形，在向太陽邊緣運動的過程中也會變得越來越窄，幾乎像線條一樣，和它們在中心又長又寬的樣子完全不同。如果黑子是像行星一樣圍繞太陽做圓周運動，那么無論從哪個角度看都應當是正圓形，并不會變小或是改變形狀。然而事實是，運動到邊緣的黑子無論是長度還是寬度都縮短了，在與圓運動的投影進行比較后，伽利略斷定它們一定是是太陽表面的一部分，而非脫離太陽本體的物體造成的視覺現(xiàn)象。

再次，伽利略提出，只有黑子是在太陽表面的情況下，運動過程中彼此間距的變化比例才滿足實際觀測數(shù)據(jù)，他用透視法給出了相關(guān)證明：

如圖3 所示，A、B 分別為兩個太陽黑子，CE 表示太陽的直徑，如果太陽黑子在太陽表面，那么半圓CDE 表示自1612 年7 月1 日至7 月8 日觀測的A、B（黑子）運動軌跡。G 表示太陽的中心，Z 是地球上的觀測者，GZ 表示地球與太陽之間的距離。因為太陽和地球間的距離很遠，所以可以將觀測者的視線當作是平行的。7 月1 日時黑子A 運行到H 點，B 運行到L 點時，作FH 垂直于CG,FH 平行于GD，由于是從Z點看，所以將軌跡投影至CE上，CF是觀測到的黑子A在圓周上的運行距離，F(xiàn)I則是AB的視覺距離，而兩個黑子的真實距離為弧HL。隨著黑子向太陽中心的運動，會發(fā)現(xiàn)AB 間的視覺距離即FI 會不斷增加，根據(jù)實際觀測情況，發(fā)現(xiàn)7 月5 日時A、B 兩點距離圓心呈對稱分布，且此時FI 恰巧等于HL。等到7 月8 日的時候，黑子B 距離E 的距離和7 月1 日黑子A 和C的距離是相等的（CE=SF），這種情況下TX=HL，這與實際觀測記錄是相符的。但如果黑子是遠離太陽沿圓周運動，此時弧MNO 表示A、B（黑子）的運動軌跡，到7 月5 日黑子A、B 兩點距離圓心呈對稱分布時，同理可得兩者視覺距離應為NO（遠遠小于HL），這與實際觀測到的距離HL并不相符[6]。

圖3 伽利略寄給威爾塞的第二封信中的證明圖

最后，就是黑子運動速度的縮減現(xiàn)象。這些黑子靠近太陽中心時就運動得很快，靠近邊緣時則運動得很慢。關(guān)于這一點，依據(jù)矢量合成法則是很好理解的：假設黑子是在太陽表面上，那么如圖4所示，A 點為地球上的觀測點，太陽運動的線速度為V，當黑子運動到B 點時候，視覺速度依舊為V，但是運動到C 點時，將速度進行分解投影，觀測到的視覺速度則是V1，速度V1顯然是小于速度V 的，這也就很好的解釋了為什么黑子越靠近太陽邊緣運動的越慢。而如果黑子是遠離太陽做圓周運動的話，那么這種縮減現(xiàn)象是沒法解釋得通的。

圖4 黑子運動速度的縮減現(xiàn)象示意圖

伽利略并不是僅僅通過一次觀察就斷定黑子是在太陽表面，畢竟利用望遠鏡觀測，人們所看到的始終是一個二維圖像，難免會質(zhì)疑這些黑點究竟是本身就在太陽上，還是類似于水星這樣的天體運動到太陽面前而造成的陰影，甚至還存在著另一種可能性，那就是鏡片上本來就有黑斑[7]。面對上述這些質(zhì)疑，伽利略對太陽展開了長時期、反復多次的觀測，除了通過檢查望遠鏡本身以及更換鏡片，他還結(jié)合自身對動力學的研究來比對黑子的視運動。正是基于長期的觀察和精確的光學計算，才讓他排除了其他幾種可能性，得出這些黑子就是在太陽上的科學結(jié)論。

4 由黑子論證衍生出的太陽自轉(zhuǎn)模型

伽利略運用望遠鏡投射法對黑子從形狀、顏色和運動軌跡等諸多方面進行長期觀測和科學比對后，一一反駁了天文學界對于黑子存在方式的其他假設，論證了黑子是存在于太陽表面上的，還從黑子的周期性變化中推測出太陽存在著自轉(zhuǎn)。

太陽的自旋運動因太陽本身的巨大光亮而難于被發(fā)現(xiàn)，伽利略利用其自制望遠鏡所觀察到的太陽黑子運動發(fā)現(xiàn)了太陽的自轉(zhuǎn)。那伽利略究竟是如何從黑子的運動現(xiàn)象中，發(fā)現(xiàn)太陽的自轉(zhuǎn)運動？在《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》的第3 天中，伽利略給出了具體解釋：關(guān)于太陽黑子的運動軌跡，可以結(jié)合圖5 理解。假設MN 表示黃道平面，ABCD 為分界限，則EFG、FGH、GHE、HEF 分別表示黑子每隔三個月在圓周ABCD 上的投影軌跡。那么在A 點望去時，黑子顯然是沿著直線EFG 運動，此時斜度最大；在這之后，斜度逐漸減小，當?shù)竭_B 點時，黑子的投影軌跡一條向上的曲線，從F經(jīng)過G 點然后到H 點時起落點是平衡的；經(jīng)過短暫的平衡之后，黑子的軌跡將會逐漸傾斜，并在C 點時斜度達到最大，此時黑子開始重新沿著直線運動；最后的三個月內(nèi)，也就是在D 點時，隨著斜度的減小，弧的曲率會不斷增大，黑子的起落點重新達到平衡，軌跡投影是一條向下的曲線，從H經(jīng)過D抵達F。

圖5 沿黃道運行一周年的黑子的投影軌跡

基于上述的這些觀測結(jié)果，伽利略自然就可以推測出基本的太陽模型。如圖6 所示，假定ABCD 為黃道面，其與太陽的截面為KFLH，太陽是繞軸NS 逆時針方向旋轉(zhuǎn)，其中NS并非完全垂直于黃道面，而是略微的傾斜，垂直于太陽赤道面（即圖中EFGH）。這是因為，如果與黃道面垂直，黑子的運動軌跡就會與黃道帶平行，且一直保持著直線，但事實是如圖5 所示，黑子的軌跡大多數(shù)看上去還是沿著曲線運動，因此太陽的自轉(zhuǎn)軸必定是傾斜的。換言之，黑子運動的視軌跡其實就是由黃道上任何一點看到的太陽赤道的外觀所決定的，兩極離太陽赤道愈遠，黑子的行程就愈彎曲，而且斜度愈小，當兩極正好處于太陽赤道時，斜度就會變得最大，同時曲率變得最細小，黑子的軌跡程則幾乎趨于直線[6]?？偟膩碚f，一旦周年運動是地球的運動，且太陽圍繞著略微傾斜的日軸逆時針自轉(zhuǎn)時，那么黑子的運動軌跡就會符合實際觀測結(jié)果。

圖6 太陽的基本模型

5 結(jié)語

伽利略對太陽黑子的發(fā)現(xiàn)和論證不僅僅是一次天文新發(fā)現(xiàn)，更是對日心說所引發(fā)的天文學革命的推進與完善，在科學史上有著無比重要的意義。雖然從現(xiàn)代科學的角度來看，伽利略的一些結(jié)論還是存在著一定問題，但是在17世紀的歐洲，伽利略率先使用望遠鏡對太陽黑子進行觀測，并對黑子的性質(zhì)做了細致分析，排除了其他各種可能性，從多個方面論證了它們是太陽表面的一部分，并由此得出了太陽本身也存在自轉(zhuǎn)的結(jié)論。這些結(jié)論向傳統(tǒng)的天體是完美的觀念發(fā)起了挑戰(zhàn)，動搖了亞里士多德和托勒密宇宙學說的理論基礎和結(jié)構(gòu)模型，為近現(xiàn)代天文學和物理學的發(fā)展奠定了重要的科學觀測和論證的基礎。