日食的科學與藝術

之涵/編譯

日食的科學與藝術

之涵/編譯

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

● 經過150年的探索之后，我們對伴隨日食出現的日冕現象有了深入的了解。

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

據考證，對日食的現代研究大約始于1860年。當時的研究人員一致認為，環(huán)繞太陽黑暗體的發(fā)光區(qū)域的外觀——日冕——實際上是太陽的大氣層。地球上的觀測者平常無法看見這種大氣，而只有在出現日食時才能一睹芳容，因為此時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量進行，但最終是藝術家霍華德·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現這一目標提供了所需的拼圖。

藝術捕捉的視覺感知

當談到關于視覺現象的學術研究時，“眼見為實”這句諺語其實是一個陷阱。通過“所見”在大腦中產生的圖像可能會與照片大相徑庭，在努力準確捕捉太陽日冕視覺感知時，這一點尤為明顯。巴特勒擁有非凡的才能，其繪畫能夠再現眼睛看到的一切，而且比之前或之后的任何作品都更令人信服。他畫技高超，能夠根據記憶將短時間內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)數分鐘時間的日食繪畫時如魚得水。他還創(chuàng)作肖像畫，其中最負盛名的是著名的慈善家和實業(yè)家安德魯·卡內基(Andrew Carnegie)的肖像畫。在創(chuàng)作這類畫作時，他始創(chuàng)了另一項讓他的創(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)作的關于1932年日食（上圖）的繪畫因其精確性而得到認可，但與天文學家哈珀·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，配有徑向分級濾光器的紐克相機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（現在的普林斯頓大學）學習過物理與電氣工程，并于1876年獲得了學位。1918年，當他受邀參加美國海軍天文臺組織的日食觀測時，這種學術背景讓他受益匪淺。盡管此前他從未見過日食，但他起草了細致入微的科學計劃，并利用自己能夠繪制瞬態(tài)現象的藝術加以執(zhí)行。見過日食而且看過巴特勒繪畫作品的天文學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實等優(yōu)勢的藝術作品。

將巴特勒的繪畫與其下方的兩幅照片對比會發(fā)現很多問題。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的冕流？繪畫和照片之間，哪一幅呈現的是真實的日冕現象（如果有一幅是的話）？

成像與現實

要回答這幾個問題，必須有一套適用于各種情況的標準，還必須以此為前提：圖像只是定量測量（或者換而言之，分布于空間的亮度數值）的反映。因為定量測量代表真正的亮度，所以它們對于理解和驗證用于科學目的的圖像至關重要。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等照度線圖像。（我們選擇了這次最近發(fā)生的日食，因為當時測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，在內側邊緣（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）

當等照度線疊加在球狀日冕上時，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，因為被人感知的日冕形狀由亮度閾值靈敏度決定，而其亮度水平則由離該形狀最近的等照度線決定。在用更少的曝光時間拍攝圖像捕捉到更少的光時，成像日冕就會縮小，但其形狀在較低高度時仍與相關的等照度線相吻合。

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重要定量屬性。它的亮度因為與太陽圓盤的徑向距離而急劇下降。在離太陽邊緣僅僅一個太陽半徑的地方，亮度只是其1/100。由于攝影成像的動態(tài)范圍有限，顯示有擴展日冕的圖像上的內冕亮度可達到飽和狀態(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證了球狀日冕能夠代表白光亮度的真正分布狀況——現實情況就是這樣。

感知錯覺

有人可能會問，在巴特勒繪制的日冕形狀中，等照度線為什么無法識別？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的現象改變總體靈敏度才能達到這個范圍。我們不會有意識地去感知這一現象，但從明亮的大廳走進漆黑一片的電影院時，我們會考慮這一問題，然后等待我們的眼睛去適應突如其來的黑暗。

亮度適應必須付出代價。單獨看時，我們可以在日光和黑暗的陰影中識別變化，但它們相繼出現時，我們同時辨別變化的能力比適應范圍要小得多。在日常生活中，這種限制不成問題，因為眼睛和大腦遇到日冕這種帶有超過兩個數量級亮度動態(tài)范圍的物體的情況極為罕見。面對這種非凡景觀，眼睛和大腦的首要任務是識別視線內的物體：難怪要通過形成一種錯覺來應對這一挑戰(zhàn)。這樣，問題就變成：錯覺的本質是什么？

由地面高地天文臺莫納羅亞山日冕光度計拍攝的 1997年1月17日白光日冕圖像再現了分散的極冕洞和冕流偽影（上圖）。當亮度和對比度增強時（下圖），分散的極冕洞的錯覺消失不見

已處理圖像的偽影

這一問題在20世紀60年代有了答案。當時，位于科羅拉多州博爾德科的高地天文臺開發(fā)出一款專用相機，其功能與人類視覺系統(tǒng)非常相似。這款紐克相機配備了徑向分級濾光器，用于補償急劇下降的亮度。正如在巴特勒的繪畫中顯示的那樣，紐克相機拍攝的圖像經過處理后，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，也是視覺感知的錯覺。

由紐克相機提供的關于肉眼如何識別日冕的見解非常寶貴。通過展現冕流的形成過程，它揭示了光學錯覺的工作方式。這一結果并不太令人驚訝，因為使用紐克相機的目的是為了在一次曝光中通過抑制更明亮的內冕捕捉日冕亮度較大的動態(tài)范圍——這一目標明顯與視覺感知相似。

是偽影而非錯覺

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，它們經常在日冕底部作為黑暗區(qū)域出現于兩極，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覺中，明顯不存在這類冕洞，這一點可從本文以及我在2010年發(fā)表于《美國科學家》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，所以紐克相機明顯抑制了內冕的亮度，以至于在冕洞中無法探測到亮度。當已處理圖像的亮度增加時，這些冕洞就會消失，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覺。冕洞并不會在定量測量中出現，在球狀日冕繪畫或未處理圖像中也不明顯。對日冕進行成像幾十年之后，發(fā)現常見于當今大多數日食照片中不同的極冕洞實際上并不存在，這一點讓人頗為驚訝。相反，它們只出現于已處理圖像中——也就是在那些為了調節(jié)亮度而經過處理的圖像中——或者是精選徑向分級濾光器的結果。因此，從兩個方面來說，無論是因為人類活動還是人為選擇，冕洞都是一種偽影。

用感知心理學家克勞斯-克里斯蒂安·卡本(Claus-Christian Carbon)的話說，“感知錯覺可能會很有趣，但理解其工作原理甚至會更令人興奮并更具有可持續(xù)性……從科學角度而言，產生錯覺并非主要為了揭示我們的感知錯誤或我們的設備出現障礙，而是為了展現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。能夠認識到這一點，并從日冕錯覺中排除冕洞的存在，證明了人類感知的力量。

追蹤太陽風

被稱作太陽風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”太空任務開展的無線電掩星觀測對其起源和演化進行了探索（“尤利西斯”是第一艘利用無線電測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”任務獲得了豐碩而且準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《美國科學家》雜志討論的關于太陽風的主流觀點不一致。

1995年，當我第一次在印度參與日食觀測時，最令我驚訝的是用個人照相機拍攝的照片與教科書上看到的完全不同。20年后，當我發(fā)現驗證視覺感知、攝影成像和物理測量之間的關系揭示了一個潛藏已久的錯誤——在當時，認為太陽風是氣流的觀點具有科學性，這同樣讓我驚詫不已。該錯誤乃是基于對不同極性的冕洞的假設性觀測結果——我們現在知道，這種觀測結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)的本世紀第一次可在美國看到的日全食，請你用相機或智能手機拍下幾張快照。在你的照片中，將能夠捕捉到像一個世紀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，但請不要感到失望——就亮度分布而言，真理在你手中。在剩下的時間里，你可以去尋找內冕中的冕洞。盡管會無功而返，但你會明白個中原因。然后將注意力轉移至外冕，努力找出伸展的冕流，同時將格里菲斯天文臺負責人愛德華·克虜伯(Edward Krupp)的建議謹記于心：“雖然日冕的行為具有欺騙性，但眼睛對大腦耍的計謀仍不失為一種快樂。”

[資料來源：American Scientist][責任編輯：絲 絲]

本文作者理查德·吳（Richard Woo）是美國加州理工學院國家航空航天局噴氣推進實驗室的資深研究員，他過去52年的研究主要集中在太陽與行星大氣的結構和動力學方面以及利用宇宙飛船無線電信號進行探測。