日全食証實廣義相對論預言 驗証《竹書紀年》“天再旦”

美國當地時間8月21日，一場橫掃美國14個州的日全食吸引了全球的目光。而上一次同樣規模的橫跨美國大陸的日全食，要追溯到差不多100年前，那時正值第一次世界大戰。

日全食也為科學研究帶來了難得的機遇。那麼歷史上，人們利用日全食這種特殊天象，有過哪些重要的發現？又正在進行什麼樣的研究?

觀測到引力場中光線彎曲  廣義相對論預言是真的

阿爾伯特·愛因斯坦的大名家喻戶曉。1916年愛因斯坦發表了名為《廣義相對論的基礎》的論文，文中假定引力並不是一種力，而是時空連續體中彎曲的場，質量存在正是造成彎曲的原因。特別是在太陽系，牛頓的引力理論可以看作是廣義相對論的一級近似，通過測量水星軌道近日點的進動、引力場中光線的彎曲等實驗，是能夠驗証廣義相對論的。

太陽系中的大質量天體非太陽莫屬，要想驗証引力場中光線的彎曲，就應該觀測太陽附近恆星發出的光線是否由於太陽的存在而發生彎曲的現象。但一來引力場中光線的偏轉角度很小，二來太陽光實在太強，在地球上很難觀測到與太陽方向十分接近的其他恆星的光。因此，天文學家想到在日全食發生時，由於月球擋住了來自太陽光球的強光，應該可以通過仔細測量恆星光線發生偏轉的角度，進而驗証廣義相對論是否正確。

1919年5月29日，全食帶掃過巴西的索布拉爾和非洲的普林西比。英國派出了兩支日全食觀測隊分赴巴西和非洲，目標明確，就是要驗証廣義相對論。著名的天文學家阿瑟·愛丁頓爵士參加了非洲小隊的觀測。感謝照相術的發明，天文學家能夠利用巧妙設計的底片，推算出太陽附近恆星光線偏轉的極小角度，1.98個角秒的計算結果與愛因斯坦廣義相對論預言的1.75個角秒的理論值基本吻合。

這次日全食觀測的結果為廣義相對論提供了堅實的觀測支持，讓原本對廣義相對論持懷疑態度的人們對這個天才的理論大大改觀。而淡定的愛因斯坦在通過電報得知愛丁頓等人的觀測結果時，只是平靜地回答：“我一點也不驚訝，因為如果觀測到的不是這樣，對上帝來說就太遺憾了。”

日冕為什麼這麼熱 仍然沒有答案的謎題

歷史的滾滾車輪把我們帶到21世紀的第二個十年。各種高新技術層出不窮，五花八門的深空探測器也各顯神通，天文學家能夠利用的觀測設備以及獲取天體信息的手段當真是不可同日而語了，為什麼包括NASA在內的天文專業研究機構仍然十分珍視8月21日的這次日全食呢？簡而言之，答案隻有兩個字——日冕！

日冕是最外層的太陽大氣，是我們平日裡聽說的“太陽風”和“日冕物質拋射”等太陽物理現象的起源地，這些太陽物理現象與生活在地球上的人類息息相關。通常情況下，隻有在發生日全食時才能觀測到日冕。當然聰明的天文學家早已發明了日冕儀，人為地在望遠鏡上加上遮光板，遮擋住太陽光球的光芒。但因為要防止太陽光子進入探測設備，所以日冕儀的擋板一般要比太陽盤面更大，這就會擋住日冕的內部區域，同時還有其他諸如衍射的問題。而日全食時月球完全將太陽光球遮擋住，是最好的天然遮光板，此時在地面拍攝的圖像要比日冕儀拍攝的清晰得多，所以日全食仍是觀測日冕的最佳時機。

日冕是太陽最外層一個向外輻射、不斷變化的冕狀高溫等離子體。有時其中一個環狀結構會折斷，向太空中拋射高能物質，就是所謂的日冕物質拋射。這種高能物質的噴發可不得了，如果噴發正好對准地球，就會破壞衛星，摧毀電網，破壞力極強，正因如此，對空間天氣的研究越來越重要，而研究的主要目標之一就是我們的恆星太陽。

日全食期間天文學家借助各種觀測設備，在不同的波段可以對日冕的磁場、太陽風的起源細節等進行特殊條件下的研究，最特別的是希望能夠對太陽物理學最大的謎題“日冕為什麼這麼熱”給出更合理的答案。日冕的物質密度隻有太陽表面的萬億分之一，很容易認為那裡是太陽溫度最低的地方。可實際情況恰恰相反，太陽表面的溫度大約是幾千攝氏度，而日冕的溫度則是幾百萬攝氏度，也就是說離熱源越遠，溫度反而越高，真是不可理解。因為材料加熱的最基本方式是粒子碰撞，但日冕的物質密度如此之低，粒子間的碰撞應該非常罕見，所以天文學家一直沒有搞清楚到底是什麼原因使得日冕擁有幾百萬攝氏度的高溫。

驗証《竹書紀年》“天再旦”  中國歷史紀年的重大突破

日全食現象不僅為自然科學研究帶來了機遇，在人文社會科學研究中，也曾做出過重大貢獻。

1997年3月9日在中國的“北極村”漠河發生了一次日全食。眾多天文學家和天文愛好者以及各大媒體都對這場日全食給予了無限關注。但鮮有人知的是，同一時刻，在新疆的阿勒泰和塔城，中國天文學家組織了一支60人的觀測隊伍，在看不到日全食的地方一絲不苟地觀測，而且全部觀測都是在日出之前進行的。他們到底在觀測什麼？原來天文學家試圖通過觀察日出前發生日全食時天光的變化，對一項重要的歷史記載加以驗証，是國家“九五”重大科研項目“夏商周斷代工程”中的一項重要內容。

此前中國有確切的年代記載隻能上推到公元前841年，即西周晚期的共和元年，能否根據古書中有關特殊天象的記錄，把確切年代上推至更久遠的時間就成為斷代工程的目標之一。因為天文學家能夠把前后萬年的日食、月食以及行星運動都精確地推算出來，而中國又保留著最悠久的天象記錄，如果能夠用現代天文學方法推算出古書中記錄的某次特殊天象發生的實際日期，就會為這個天象記錄確定時間的絕對參照點。這對於歷史斷代研究是極為重要的。

《竹書紀年》中有一段記載“懿王元年……天再旦於鄭”。我們知道懿王是西周從武王起算的第七位天子，但懿王元年究竟是哪一年卻無從得知。“鄭”是現在陝西省華縣一帶，而事件的關鍵就是“天再旦”，字面含義就是在陝西華縣，當天出現了兩次黎明。到底什麼樣的天象會讓當時的史官留下如此記錄？有學者推測是在鄭地黎明前出現的一次日全食，使得原本逐漸放亮的天空瞬時又暗下來，直到日全食結束，天空才第二次放亮，感覺是當天有兩次黎明。但由於這種推測沒有經過實地觀測的証明，所以要以此作為“斷代”的論據，天文學家迫切希望親歷一次日出前的日全食。而1997年這次日全食，正好滿足實驗的條件，真的是“天賜良機”。

經過天文學家的實際觀測，交叉認証了日出前日全食的發生確實能夠產生“天再旦”的結果。根據當時的記錄，在天已大亮、太陽即將露出地平線之時，天空忽然變暗，僅1分鐘時間天空就暗到出現許多星點的程度。最特別的是1997年恰逢著名的海爾-波普彗星回歸，觀測者在晨曦中清楚地看到彗星重現東方天空，如此的黑暗持續了兩分多鐘。隨后天空重新放亮，迎來帶食日出。天文學家的計算表明，“天再旦”的現象是非常罕見的，在地球上特定地點出現的幾率大約為1000年一次。嚴謹的演算証明懿王元年這次“天再旦”發生的時間是公元前899年4月21日凌晨5時40分左右，所以懿王元年就是公元前899年。這個結論是夏商周斷代工程的重大突破。

小貼士

科學愛好者也有機會做貢獻

其實作為非專業的科學愛好者，隻要你細心觀察，在保証觀測安全的前提下，也可以做出很多對科學研究有益的貢獻。例如觀察日全食發生時周圍動植物是否有明顯的變化，或者通過有減光措施的望遠鏡記錄貝利珠、日珥、鑽石環等日全食獨有的景象。

當然，如果親臨現場觀看日全食，一定要做好減光防護。必須佩戴專業的日食眼鏡（可以使用巴德膜），或者採用間接的觀測方法，避免太陽光對眼睛造成永久損傷。（北京天文館副館長陳冬妮）