蔡呈騰

（溫州市第二外國語學(xué)校， 浙江 溫州 325000）

太陽黑子的發(fā)現(xiàn)

蔡呈騰

（溫州市第二外國語學(xué)校， 浙江 溫州 325000）

發(fā)現(xiàn)太陽黑子及其活動規(guī)律的過程漫長而艱辛。中國漢代時就有對太陽黑子的記錄，其后，天文望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)，使太陽黑子及其活動規(guī)律被發(fā)現(xiàn)成為可能。這其中，哈里奧特、法布里休斯、伽利略、施瓦布、沃爾夫、卡林頓、斯波勒、蒙德夫婦、海爾等人都作出了重要貢獻。

太陽黑子；活動規(guī)律

太陽大氣層里一切活動現(xiàn)象總稱為太陽活動。太陽活動主要有太陽黑子、光斑、譜斑、耀斑、日珥和日冕瞬變事件等。相對來說，太陽黑子是最典型的太陽活動。太陽黑子實質(zhì)上不是太陽大氣層中出現(xiàn)黑色，而是指相對周圍來說，溫度較低的部分，所以對比看起來成為“黑子”（見圖1）?，F(xiàn)代科學(xué)研究表明，有大群黑子出現(xiàn)時（稱為太陽黑子的峰年），會出現(xiàn)磁暴現(xiàn)象，造成地球上的指南針會亂抖動而不能正確指示方向、干擾電磁場、影響電磁波等，甚至使無線電通訊受到阻礙或中斷；同時，太陽黑子峰年時，地球上氣候會變得干燥，而太陽黑子處于谷年時則氣候潮濕，甚至暴雨成災(zāi)；太陽黑子也與地震有關(guān)，據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)太陽黑子數(shù)目增多時，地球上的地震也會增加；另外，植物學(xué)家也發(fā)現(xiàn)，樹木的生長情況也隨著太陽黑子活動的周期性變化而變化，太陽黑子多的年份，樹木生長得快。經(jīng)過科學(xué)統(tǒng)計，太陽黑子活動的周期約為11年。

圖1　太陽黑子

人類對太陽黑子的認(rèn)識由來已久，但并非一開始就有很科學(xué)的認(rèn)識。在天文望遠(yuǎn)鏡被發(fā)明之前，人們只能依靠肉眼去觀察太陽，但是肉眼直接觀察太陽，這是非常危險的行為，很有可能會使人失明。除此之外，在古代的歐洲，古希臘先哲亞里士多德（前384～前322年）的宇宙觀是：天體是永恒不變的和完美無缺的。這種宇宙觀念被基督教神學(xué)所利用，認(rèn)為上帝創(chuàng)造的日月星辰，肯定是完美的。太陽“是一只滿裝著上天光輝的容器，從太陽被創(chuàng)生的一剎那起，它從來未曾發(fā)生過變化，而且在未來的任何一個時刻，太陽也不會發(fā)生變化，直到上帝樂于把它引向終結(jié)的時候為止”。這種思想成為整個歐洲中世紀(jì)禁錮科學(xué)思想的精神枷鎖，束縛了人們科學(xué)的理性發(fā)展。在這種思想觀念支配下，即便人們用肉眼看到了太陽黑子，也以為這是一種錯覺。因此，在歐洲漫長的歷史中，關(guān)于肉眼觀察太陽黑子的記錄只有8條，而且這8條記錄也非常簡單，其中最早的記錄出現(xiàn)在公元前300年左右的古希臘泰奧弗拉斯托斯（約前372～前286年，古希臘哲學(xué)家和科學(xué)家，先后受教于柏拉圖和亞里士多德，后來接替亞里士多德，領(lǐng)導(dǎo)其“逍遙學(xué)派”，以《植物志》《植物之生成》《論石》《人物志》等作品傳世）。相比來說，中國古代肉眼觀察太陽黑子的記錄要多了許多。僅僅統(tǒng)計中國古代的正史，關(guān)于太陽黑子就有100多次的記錄。

目前，被公認(rèn)為世界上第一次確切記載太陽黑子觀察記錄的，是公元前28年我國漢朝人所觀測到的，正史《漢書·五行志》里記載：“成帝河平元年三月乙未（據(jù)考證，應(yīng)為‘己未’），日出黃，有黑氣，大如錢，居日中央”。這是記載公元前28年5月10日的太陽，這里的“有黑氣，大如錢”就是指太陽黑子和它的大小。其實，我們有其他證據(jù)說明，中國古代記載太陽黑子的歷史還要早得多。成書于西周的中國哲學(xué)著作《周易》中就有“日中見斗”，一些人認(rèn)為“日中見斗”中的“斗”就是太陽黑子，只是西周人還沒有這樣的認(rèn)識。

在歐洲，公元807年3月17日，本尼迪克特的僧侶Adelmus觀察到一顆肉眼可見的太陽黑子，持續(xù)了8天，但是Adelmus錯誤地認(rèn)為觀測到的是水星凌日（即水星運行到太陽與地球之間）的現(xiàn)象。當(dāng)法蘭克王國國王查理曼（742～814年，查理大帝，他建立了囊括西歐大部分地區(qū)的龐大帝國，被后世尊稱為“歐洲之父”）逝世時的公元814年1月28日，太陽也出現(xiàn)了大黑子。英格蘭伍斯特郡的約翰也描述了1129年的黑子活動。當(dāng)然歐洲文獻中還有其他關(guān)于太陽黑子被觀察到的一些記錄和描述。但是，這些觀察到的現(xiàn)象都被誤解為是“行星凌日”。

真正對太陽黑子的觀測，當(dāng)然是天文望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)以后。1610年后期，英國天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家、翻譯家托馬斯·哈里奧特（Thomas Harriot，1560～1621年）、法里孫群島（荷蘭、德國和丹麥海岸的鏈狀島群）的約·法布里休斯（Fabricius Johannes，1587～約1615年，荷蘭籍天文學(xué)家）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(xué)家）首先使用望遠(yuǎn)鏡觀測了太陽黑子，并在1611年6月提出了報告（法布里奇烏斯父子都是天文學(xué)家，但命運悲慘，兒子去世兩年后，老法布里奇烏斯也被暗殺身亡）。1610年近年底的時候，著名天文學(xué)家伽利略（1564～1642年）利用他自制的天文望遠(yuǎn)鏡，在落日的煙霧中觀測太陽，每一次觀測時，他都在日輪上看到了暗色的斑點（有人認(rèn)為，伽利略的失眠就是這時用天文望遠(yuǎn)鏡觀察太陽后造成的，這是嚴(yán)重的誤傳。此時的伽利略雖已46歲，但視力正常。伽利略失眠那是再過24年以后的事。但是，直接用肉眼觀察太陽，或者沒有加以防護用天文望遠(yuǎn)鏡直接觀測太陽，都極有可能造成對視力的不可逆轉(zhuǎn)性損傷，甚至失明）。1611年，伽利略觀察到太陽黑子及其運動，并對比了太陽黑子的運動規(guī)律和圓運動的投影原理，論證了太陽黑子是在太陽表面上的（見圖2）。1613年，伽利略發(fā)表了《關(guān)于太陽黑子的書信》。

圖2　伽利略記錄的移動的太陽黑子

同一時期，德國天文學(xué)家克里斯托弗·沙伊納（Christopher Scheiner，1575～1650年）也利用自制改良后的天文望遠(yuǎn)鏡觀測了太陽黑子?？死锼雇懈ァど骋良{是一名耶穌會會士。歐洲的耶穌會信奉以亞里士多德的哲學(xué)觀改造后的神學(xué)，亞里士多德都沒有提到過太陽表面還有什么斑點。所以當(dāng)沙伊納的上級聽說了此事后，就非常嚴(yán)肅地警告沙伊納不要過于相信這種觀測結(jié)果，不要太當(dāng)一回事。但沙伊納沒有聽從上級的“勸告”，通過匿名的形式發(fā)表了他的觀測結(jié)果，解釋說那種斑點是繞太陽作軌道運行的小星體，而不是太陽的組成部分。從沙伊納對觀測結(jié)果的解釋上來看，他還是亞里斯多德忠誠的信徒，還是認(rèn)為太陽是完美無缺的。

我們現(xiàn)在無從可考，到底是伽利略還是克里斯托弗·沙伊納見過約·法布里休斯的論文《論太陽黑子和黑子圍繞太陽的視運動》，但他們之間爭奪發(fā)現(xiàn)太陽黑子的優(yōu)先權(quán)，卻成為科學(xué)史上的一段公案。

1610年起，伽利略結(jié)束了在帕多瓦大學(xué)任教18年的教授生涯，移居佛羅倫薩，任托斯卡納大公爵的首席哲學(xué)家和數(shù)學(xué)家。此時的伽利略雖已步入不惑之年，但對科學(xué)的激情不減當(dāng)年。早在比薩大學(xué)任教的3年（1589～1591年），伽利略就因為他的年輕、好激辯、“思想異端”而成為同僚們排擠的對象，也成為大家抨擊的對象。而今，面對有人與自己爭發(fā)現(xiàn)太陽黑子優(yōu)先權(quán)之功，特別是對太陽黑子的認(rèn)識還與自己不同，伽利略不能“忍受”這樣的事情。所以他就充分發(fā)揮了他的天才諷刺語言，對克里斯托弗·沙伊納進行了無情的嘲諷，也牽連到對耶穌會的“攻擊”。伽利略的這種行為，無疑得罪了耶穌會，加劇了他與宗教法庭之間的裂痕。伽利略堅持認(rèn)為，他對太陽黑子的觀測比沙伊納更早，同時也嘲笑了關(guān)于太陽黑子不是太陽組成部分的觀點?，F(xiàn)在看來，伽利略的觀點當(dāng)然是正確的，因為他充分利用理性分析，根據(jù)太陽兩邊的黑色斑點移動得比較緩慢，這是按照透視法被縮小了的緣故。因而伽利略推斷這些斑點是太陽表面的組成部分，這些斑點的移動就是太陽根據(jù)自轉(zhuǎn)軸以27天為周期發(fā)生旋轉(zhuǎn)的結(jié)果。對這樣的認(rèn)識，無疑對“上帝創(chuàng)造的完美太陽”是一個無情的打擊：原來太陽也是有缺陷??！這讓教會宣揚的教義情何以堪？這讓教會還怎么領(lǐng)導(dǎo)人們的信仰？伽利略的發(fā)現(xiàn)與認(rèn)識，使當(dāng)時的宗教權(quán)貴們惱羞成怒，雖然他有托斯卡納大公爵的庇護，雖然他與后來成為教皇烏爾班八世（1623～1644年在位）的紅衣主教馬菲里奧·巴爾貝里尼（1568～1644年，出身于意大利豪門巴爾貝里尼家族）是好朋友，但他得罪的是整個教會體系，他的科學(xué)結(jié)論已經(jīng)成為教會合理存在的最大絆腳石，最終當(dāng)然難以逃脫被審判、監(jiān)禁，并在貧病中老死女兒家中。

自伽利略發(fā)現(xiàn)太陽黑子之后的160多年時間里，很少有科學(xué)家大張旗鼓地宣揚他們關(guān)于太陽黑子的觀測研究成果，只是不同的天文學(xué)家偶然提及討論一下太陽黑子到底有沒有存在，認(rèn)為真的存在的，也畫一畫它的草圖，但都不值一提了。

到了1774年，蘇格蘭天文學(xué)家Alexander Wilson對太陽黑子投入了極大的關(guān)注。他注意到一顆巨大的太陽黑子正向著太陽邊緣靠近。他對太陽黑子提出了諸多設(shè)想，比如太陽黑子暗淡的界面像火山口內(nèi)表面一樣是傾斜的、太陽黑子的黑暗中心是個孔洞延伸到太陽的內(nèi)部等。這個觀點在1795年被后來當(dāng)選為第一任英國皇家天文學(xué)家會長、也是當(dāng)時最重要的天文學(xué)家弗雷德里克·威廉·赫歇爾（William Herschel，1738～1822年）所采納。赫歇爾認(rèn)為，太陽是個不發(fā)光的冷物體，有一層燃燒著的氣體包圍著它。如果按照赫歇爾的這種觀點，太陽黑子就是一些孔洞，通過這些孔洞可以看到太陽內(nèi)部冷的物體。現(xiàn)在看來，這種觀點是錯誤的，因為太陽發(fā)光的表面是整個太陽溫度最低的部分，太陽中心溫度達(dá)到15 000 000℃。當(dāng)然，這些知識到20世紀(jì)才被人類認(rèn)識。

雖然，威廉·赫歇爾對太陽黑子的認(rèn)識是錯誤的，但他關(guān)于太陽黑子的研究引起了許多人的興趣。比如德國藥劑師、業(yè)余天文學(xué)家海因里?！と姞枴な┩卟迹℉einrich Samuel Schwabe，1789～1875年）就對發(fā)現(xiàn)太陽黑子作出了重要的貢獻。威廉·赫歇爾曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)了天王星，這讓當(dāng)時許多天文學(xué)家“惹紅了眼”，也紛紛投入到發(fā)現(xiàn)行星的工作中去，夢想自己也能發(fā)現(xiàn)一顆未知的行星。施瓦布也不例外。當(dāng)時科學(xué)家根據(jù)牛頓力學(xué)理論，推導(dǎo)出在水星與太陽之間還有一顆行星，但因它距太陽很近，以致極難觀察到它的存在，不過這顆行星（科學(xué)家給這顆行星命名為“祝融星”）肯定會通過太陽和地球之間，這樣，只要注視太陽表面，等待著它的出現(xiàn)就可以了。假如在注視太陽時，發(fā)現(xiàn)了這個斑點，那么它應(yīng)該是一個圓餅狀的物體（太陽黑子不可能是正圓形的），也要排除是水星、金星的可能（即“祝融星”出現(xiàn)在太陽上時，水星和金星都在其他位置上）。這樣抱著一個發(fā)現(xiàn)行星的想法，讓施瓦布從1825開始，花費了17年的時間觀測太陽。雖然沒有發(fā)現(xiàn)什么新行星，但17年對太陽黑子的觀測記錄，足以讓他找到了太陽黑子出現(xiàn)的規(guī)律。1843年，施瓦布宣布，太陽黑子的出現(xiàn)是有規(guī)律可循的：太陽黑子從一個峰值到另一個峰值的時間長度大約是10年。在著名的德國科學(xué)家亞歷山大·馮·洪堡（Alexander Von Homboldt，1769～1859年）于1851年傾其畢生之功力撰寫的大著作《宇宙》一書中提到了這件事前，施瓦布的發(fā)現(xiàn)根本無人問津。但由于洪堡《宇宙》的盛名，施瓦布的發(fā)現(xiàn)也被人們所認(rèn)識，終于在1857年，榮獲英國皇家天文學(xué)會金質(zhì)獎?wù)隆＿@也算是主流科學(xué)界對施瓦布在太陽黑子觀測方面所做貢獻的肯定。

1851年前后，德國天文學(xué)家和物理學(xué)家約翰·馮·拉蒙特（Johann Von Lamont，1805～1879年）正在蘇格蘭測量地球的磁場強度時，發(fā)現(xiàn)地球磁場有規(guī)則起伏的現(xiàn)象（周期為10年）。1852年，愛爾蘭天文學(xué)家、地球物理學(xué)家、鳥類學(xué)家、探險家和第30屆英國皇家學(xué)會會長愛德華·薩賓（Edward Sabine，1788～1883年）指出，地球磁場強度和太陽黑子周期同時地增大和減小，這現(xiàn)象使得人們很容易聯(lián)想到太陽黑子對地球磁場產(chǎn)生影響。其后，科學(xué)家?guī)е鴿夂竦呐d趣繼續(xù)去發(fā)現(xiàn)太陽黑子的活動規(guī)律。

1843年，當(dāng)海因里?！と姞枴な┩卟夹妓P(guān)于太陽黑子的觀測結(jié)果時，時任瑞士伯爾尼天文臺臺長的魯?shù)婪颉の譅柗颍≧udolf wolf，1816～1893年）閱讀了施瓦布的論文后，開始用天文望遠(yuǎn)鏡觀測太陽黑子。魯?shù)婪颉の譅柗虺俗约河^察太陽黑子收集資料外，還認(rèn)真搜集整理包括伽利略及其他人觀測太陽黑子留下的資料。經(jīng)過整理發(fā)現(xiàn)，從1749年開始的每日太陽黑子數(shù)記錄數(shù)據(jù)和從1610年開始的太陽黑子記錄數(shù)年平均值數(shù)據(jù)可供研究使用。沃爾夫在搜集整理太陽黑子觀測資料的過程中，為使不同觀測臺站以及不同人的太陽黑子觀測資料具有可比性，于1848年提出了太陽黑子相對數(shù)的概念。沃爾夫經(jīng)過幾年的仔細(xì)觀測和精心資料整理，發(fā)現(xiàn)太陽黑子數(shù)變化周期平均值為11．1年，最短為9年，最長為14年，不同周期之間黑子數(shù)的變化也非常明顯。1849年，魯?shù)婪颉の譅柗蛲茖?dǎo)出來的一個公式，可每年都得出一個被表示為“蘇黎世太陽黑子數(shù)”的結(jié)果（魯?shù)婪颉の譅柗蚴翘K黎世人）。到1852年，魯?shù)婪颉の譅柗虬l(fā)現(xiàn)地磁活動、極光與太陽活動有關(guān)。魯?shù)婪颉の譅柗蜻€提出，將太陽黑子數(shù)從一個極小值到另一個極小值之間的事件定為一個周期，并將1755年到1766年的周期定為第一個太陽活動周（見圖3）。

其后，關(guān)于太陽黑子的研究越來越深入，主要是圍繞太陽黑子活動對地球的影響進行的。

在聽說了海因里?！と姞枴な┩卟缄P(guān)于太陽黑子的研究之后，從1852年開始，英國業(yè)余天文學(xué)家理查·克里斯多?！た诸D（Richard Christopher Carrington，1826～1875年）白天觀測太陽，夜晚觀測星星，夜以繼日勤奮工作。他的努力得到了很好的回報，觀測研究成果包括：確定了太陽自轉(zhuǎn)軸、發(fā)現(xiàn)了太陽的較差自轉(zhuǎn)現(xiàn)象、首次發(fā)現(xiàn)了太陽耀斑現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)太陽黑子隨太陽活動周的進展逐漸向赤道遷移的規(guī)律，后來太陽活動周被稱為卡林頓太陽活動周，如2002年太陽黑子達(dá)到極大值是第23卡林頓周期。

圖3　太陽黑子相對數(shù)變化曲線

跟卡林頓幾乎同時進行太陽黑子周期規(guī)律研究的是德國天文學(xué)家古斯塔夫·斯波勒（Gustav Spoerer，1822～1895年），他們分別獨自研究太陽黑子周期規(guī)律，但取得的成果是“異曲同工”的。古斯塔夫·斯波勒經(jīng)過長期對太陽的觀測發(fā)現(xiàn)：在新的太陽活動周開始時，黑子群出現(xiàn)的位置分別在南北半球緯度30°附近；隨著太陽活動周的進展，黑子群出現(xiàn)的緯度位置逐漸向赤道靠近；在太陽活動極大年附近，黑子群一般出現(xiàn)在15°附近；在太陽活動周的末尾，黑子群一般出現(xiàn)在8°附近；在每個太陽活動周即將結(jié)束時，新周期的黑子群已開始在高緯度出現(xiàn)，舊太陽活動周的黑子群仍在低緯度出現(xiàn)；新周期和舊周期黑子群同時出現(xiàn)的局面大約可持續(xù)一年左右的時間。太陽黑子出現(xiàn)緯度位置隨太陽活動周發(fā)展而變化的規(guī)律，被稱為斯波勒定律。1885年，古斯塔夫·斯波勒因為對太陽黑子的工作，被法國科學(xué)院授予瓦爾茲獎。

英國天文學(xué)家愛德華·沃爾特·蒙德（Edward Walter Maunder，1851～1928年）和他的第二任妻子安妮·蒙德（Annie Maunder，英國皇家天文學(xué)會第一位女性會員）經(jīng)過二十多年的精心觀測，于1904年將觀測數(shù)據(jù)繪制成圖，以時間為橫坐標(biāo)，以黑子群出現(xiàn)的緯度為縱坐標(biāo)，得到了能夠形象展示斯波勒定律的“蒙德蝴蝶圖”：多個太陽活動周的黑子群出現(xiàn)位置分布的變化就像一隊展翅飛翔的蝴蝶（見圖4）。

圖4　蒙德蝴蝶圖

被稱為“現(xiàn)代太陽觀測天文學(xué)之父”的美國著名天文學(xué)家喬治·埃勒里·海爾（George Ellery Hale，1868～1938年，見圖5），當(dāng)他還是麻省理工學(xué)院大學(xué)生時，便已發(fā)明了太陽單色光照相儀，并利用它首次測得了太陽黑子的磁場。太陽黑子經(jīng)常成對出現(xiàn)，并隨著太陽自東向西自轉(zhuǎn)，習(xí)慣上將西邊的稱為前導(dǎo)黑子，東邊的稱為后隨黑子。海爾發(fā)現(xiàn)它們的磁場極性總是相反的，所以又稱為雙極黑子。經(jīng)過了十多年的觀測后，海爾又發(fā)現(xiàn)在同一個11年太陽活動周期內(nèi)，太陽南半球或北半球同一個半球中，所有雙極黑子的磁場極性分布都相同。而太陽南北兩個半球前導(dǎo)、后隨黑子的磁場極性分布相反。而且當(dāng)下一個11年活動周來臨后，太陽南北兩個半球的雙極黑子的磁場極性發(fā)生對換。因此按照這個黑子磁場變換規(guī)律，太陽黑子變化一個完整的周期需要大約22年，這就是所謂的太陽活動的海爾定律。

圖5　喬治·埃勒里·海爾

如今，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了太陽黑子是確實存在的，也大致知道了它的活動規(guī)律，但要全面認(rèn)識太陽黑子，還有許多地方值得我們?nèi)パ芯??？茖W(xué)家也正在不斷深入研究太陽黑子變化規(guī)律，以期更全面地認(rèn)識與我們生息與共的太陽。