日全食证实广义相对论预言 验证《竹书纪年》“天再旦”

美国当地时间8月21日，一场横扫美国14个州的日全食吸引了全球的目光。而上一次同样规模的横跨美国大陆的日全食，要追溯到差不多100年前，那时正值第一次世界大战。

日全食也为科学研究带来了难得的机遇。那么历史上，人们利用日全食这种特殊天象，有过哪些重要的发现？又正在进行什么样的研究?

观测到引力场中光线弯曲  广义相对论预言是真的

阿尔伯特·爱因斯坦的大名家喻户晓。1916年爱因斯坦发表了名为《广义相对论的基础》的论文，文中假定引力并不是一种力，而是时空连续体中弯曲的场，质量存在正是造成弯曲的原因。特别是在太阳系，牛顿的引力理论可以看作是广义相对论的一级近似，通过测量水星轨道近日点的进动、引力场中光线的弯曲等实验，是能够验证广义相对论的。

太阳系中的大质量天体非太阳莫属，要想验证引力场中光线的弯曲，就应该观测太阳附近恒星发出的光线是否由于太阳的存在而发生弯曲的现象。但一来引力场中光线的偏转角度很小，二来太阳光实在太强，在地球上很难观测到与太阳方向十分接近的其他恒星的光。因此，天文学家想到在日全食发生时，由于月球挡住了来自太阳光球的强光，应该可以通过仔细测量恒星光线发生偏转的角度，进而验证广义相对论是否正确。

1919年5月29日，全食带扫过巴西的索布拉尔和非洲的普林西比。英国派出了两支日全食观测队分赴巴西和非洲，目标明确，就是要验证广义相对论。著名的天文学家阿瑟·爱丁顿爵士参加了非洲小队的观测。感谢照相术的发明，天文学家能够利用巧妙设计的底片，推算出太阳附近恒星光线偏转的极小角度，1.98个角秒的计算结果与爱因斯坦广义相对论预言的1.75个角秒的理论值基本吻合。

这次日全食观测的结果为广义相对论提供了坚实的观测支持，让原本对广义相对论持怀疑态度的人们对这个天才的理论大大改观。而淡定的爱因斯坦在通过电报得知爱丁顿等人的观测结果时，只是平静地回答：“我一点也不惊讶，因为如果观测到的不是这样，对上帝来说就太遗憾了。”

日冕为什么这么热 仍然没有答案的谜题

历史的滚滚车轮把我们带到21世纪的第二个十年。各种高新技术层出不穷，五花八门的深空探测器也各显神通，天文学家能够利用的观测设备以及获取天体信息的手段当真是不可同日而语了，为什么包括NASA在内的天文专业研究机构仍然十分珍视8月21日的这次日全食呢？简而言之，答案只有两个字——日冕！

日冕是最外层的太阳大气，是我们平日里听说的“太阳风”和“日冕物质抛射”等太阳物理现象的起源地，这些太阳物理现象与生活在地球上的人类息息相关。通常情况下，只有在发生日全食时才能观测到日冕。当然聪明的天文学家早已发明了日冕仪，人为地在望远镜上加上遮光板，遮挡住太阳光球的光芒。但因为要防止太阳光子进入探测设备，所以日冕仪的挡板一般要比太阳盘面更大，这就会挡住日冕的内部区域，同时还有其他诸如衍射的问题。而日全食时月球完全将太阳光球遮挡住，是最好的天然遮光板，此时在地面拍摄的图像要比日冕仪拍摄的清晰得多，所以日全食仍是观测日冕的最佳时机。

日冕是太阳最外层一个向外辐射、不断变化的冕状高温等离子体。有时其中一个环状结构会折断，向太空中抛射高能物质，就是所谓的日冕物质抛射。这种高能物质的喷发可不得了，如果喷发正好对准地球，就会破坏卫星，摧毁电网，破坏力极强，正因如此，对空间天气的研究越来越重要，而研究的主要目标之一就是我们的恒星太阳。

日全食期间天文学家借助各种观测设备，在不同的波段可以对日冕的磁场、太阳风的起源细节等进行特殊条件下的研究，最特别的是希望能够对太阳物理学最大的谜题“日冕为什么这么热”给出更合理的答案。日冕的物质密度只有太阳表面的万亿分之一，很容易认为那里是太阳温度最低的地方。可实际情况恰恰相反，太阳表面的温度大约是几千摄氏度，而日冕的温度则是几百万摄氏度，也就是说离热源越远，温度反而越高，真是不可理解。因为材料加热的最基本方式是粒子碰撞，但日冕的物质密度如此之低，粒子间的碰撞应该非常罕见，所以天文学家一直没有搞清楚到底是什么原因使得日冕拥有几百万摄氏度的高温。

验证《竹书纪年》“天再旦”  中国历史纪年的重大突破

日全食现象不仅为自然科学研究带来了机遇，在人文社会科学研究中，也曾做出过重大贡献。

1997年3月9日在中国的“北极村”漠河发生了一次日全食。众多天文学家和天文爱好者以及各大媒体都对这场日全食给予了无限关注。但鲜有人知的是，同一时刻，在新疆的阿勒泰和塔城，中国天文学家组织了一支60人的观测队伍，在看不到日全食的地方一丝不苟地观测，而且全部观测都是在日出之前进行的。他们到底在观测什么？原来天文学家试图通过观察日出前发生日全食时天光的变化，对一项重要的历史记载加以验证，是国家“九五”重大科研项目“夏商周断代工程”中的一项重要内容。

此前中国有确切的年代记载只能上推到公元前841年，即西周晚期的共和元年，能否根据古书中有关特殊天象的记录，把确切年代上推至更久远的时间就成为断代工程的目标之一。因为天文学家能够把前后万年的日食、月食以及行星运动都精确地推算出来，而中国又保留着最悠久的天象记录，如果能够用现代天文学方法推算出古书中记录的某次特殊天象发生的实际日期，就会为这个天象记录确定时间的绝对参照点。这对于历史断代研究是极为重要的。

《竹书纪年》中有一段记载“懿王元年……天再旦于郑”。我们知道懿王是西周从武王起算的第七位天子，但懿王元年究竟是哪一年却无从得知。“郑”是现在陕西省华县一带，而事件的关键就是“天再旦”，字面含义就是在陕西华县，当天出现了两次黎明。到底什么样的天象会让当时的史官留下如此记录？有学者推测是在郑地黎明前出现的一次日全食，使得原本逐渐放亮的天空瞬时又暗下来，直到日全食结束，天空才第二次放亮，感觉是当天有两次黎明。但由于这种推测没有经过实地观测的证明，所以要以此作为“断代”的论据，天文学家迫切希望亲历一次日出前的日全食。而1997年这次日全食，正好满足实验的条件，真的是“天赐良机”。

经过天文学家的实际观测，交叉认证了日出前日全食的发生确实能够产生“天再旦”的结果。根据当时的记录，在天已大亮、太阳即将露出地平线之时，天空忽然变暗，仅1分钟时间天空就暗到出现许多星点的程度。最特别的是1997年恰逢著名的海尔-波普彗星回归，观测者在晨曦中清楚地看到彗星重现东方天空，如此的黑暗持续了两分多钟。随后天空重新放亮，迎来带食日出。天文学家的计算表明，“天再旦”的现象是非常罕见的，在地球上特定地点出现的几率大约为1000年一次。严谨的演算证明懿王元年这次“天再旦”发生的时间是公元前899年4月21日凌晨5时40分左右，所以懿王元年就是公元前899年。这个结论是夏商周断代工程的重大突破。

小贴士

科学爱好者也有机会做贡献

其实作为非专业的科学爱好者，只要你细心观察，在保证观测安全的前提下，也可以做出很多对科学研究有益的贡献。例如观察日全食发生时周围动植物是否有明显的变化，或者通过有减光措施的望远镜记录贝利珠、日珥、钻石环等日全食独有的景象。

当然，如果亲临现场观看日全食，一定要做好减光防护。必须佩戴专业的日食眼镜（可以使用巴德膜），或者采用间接的观测方法，避免太阳光对眼睛造成永久损伤。（北京天文馆副馆长陈冬妮）