太陽王（4）：太陽數據管理員

打包知識點

➀ 沒有學位的有志青年蒙徳進入英國皇家天文臺，開啟太陽研究生涯。

➁ 蒙德堅持不懈地拍攝太陽黑子照片，積累了海量數據，但缺乏數據分析能力。

➂ 美國的海耳於1892 年拍攝到了完美的太陽耀斑照片。

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在卡林頓去世 3 年前，21 歲的愛德華·沃爾特·蒙德在倫敦的一家銀行工作。1872 年年底，他看到皇家天文臺招聘助理的公告。這次招聘在英國是破天荒的第一次，因為沒有像通常那樣有學位要求，蒙德沒有學位。但是要參加嚴格的考試，這是英國第一次試行此類做法，當時的一些英國的有識之士已經感到學位和能力不是一定掛鉤的，很多有能力的人沒有學位。

圖：理查德·卡林頓的學術繼承人蒙徳

蒙德就是這樣一位有志青年，他從小就擁有強烈的好奇心，但卻從未受過充分的正規教育。他小時候有一天，在放學回家的路上，看到太陽低低地掛在西邊，通紅的、沉重的球體被霧氣遮住了一部分，14 歲蒙德竟然看的入了迷。他在紅色的太陽表面上看到了一個清晰可見的黑色斑點。他覺得那像是一個扎進太陽裡的釘子頭。在彌爾頓的《失樂園》中，作者描寫撒旦降落在太陽上，留下的印記就像透過“裝有玻璃鏡片的光學管”看到的太陽黑子。

蒙德家比較貧困，但信仰非常虔誠。他小時候做過的最接近科學的一件事情是，他用自己的腳步丈量了克羅伊登的街道，並用肉眼估計了每條路與其他路的夾角。他把數據帶回家，畫出了他們所居住地區按比例縮小的地圖。這件事情已經能充分體現出蒙德的天賦。

1871 年 1 月，出於對科學的興趣，他前往倫敦國王學院就讀，學習化學、數學和自然哲學，他當時學習的自然哲學實際上就是今天的物理學。

一年後，蒙德遇到了格林尼治天文臺的招聘，而這次招聘的主要崗位之一就是要找太陽照相儀的操作人員。不過蒙德進入天文臺沒有那麼順利，他在 1872 年第一次招聘考試時失敗了，在競爭兩個職位時考了第三名，但一年後他又考了一次，終於在 1873 年 11 月 6 日考取了攝影和光譜學助理的職位，主要負責太陽天文學。但當他到了格林尼治天文臺的時候，這位年輕人發現很難適應那裡的環境。

當時天文臺的負責人叫艾裡，他很厭惡員工必須通過這套新流行的考試製度的做法，尤其是對於沒有學位的人。他在一封信裡將蒙德描述成“我見過最蠢的人——真的選錯人了”。

而蒙德也很害怕這位壞脾氣的皇家天文學家。艾裡 70 多歲時稍微有些駝背，一副金屬框眼鏡緊緊壓在眼睛上，他總是在天文臺裡徘徊巡視，就好像一個獄警一樣。他披著黑色雙排扣長外套，豎起的襯衫領子用繃緊的頸飾固定，不管走到哪裡都對員工做一番評判。有一次，他與蒙德相遇。雖然蒙德已經在天文臺工作一年多了，但只要皇家天文學家一出現就會讓他嚇得發抖。他抖得太厲害，結果把一瓶每天用來沖洗太陽照片的顯影化學藥劑掉在地上了。這次意外事件氣得艾裡寫信給海軍大臣抱怨他們的人事任命。不過，蒙德還是在家人的鼓勵下，努力調整者自己，以適應格林尼治天文臺的制度。

圖：艾裡

最初，蒙德他們發現了一些有趣的巧合。在太陽黑子極大的年份，印度的平均氣壓似乎會降到最低。同時，印度洋上的風暴更頻繁了。人們還發現了地球上其他地區更多的關聯現象。太陽黑子極大期看起來也跟蘇格蘭和南非記錄到的最低氣溫有關。在美國，太陽黑子極大期好像引起了大量降雨，導致五大湖創下水位最高紀錄。這種關聯被鮮明地認為是存在的。所以連學校都教育孩子說天氣是受太陽黑子影響的，只是我們不知道到底是如何影響的。

有一位叫傑文斯的數學家，甚至發現太陽黑子週期通過影響氣候從而影響到了經濟。19 世紀中葉以來，維多利亞時代的人們就發現貿易活動週期大約為 10 年。經濟增長與衰退的問題一直沒有得到解答。傑文斯突然想到 10 年的經濟週期跟太陽黑子 11 年的週期長度接近。他開始進行研究，重新按照威廉·赫歇爾的思路去調查農業產量。他查看了小麥、大麥、燕麥、黃豆、豌豆、野豌豆和黑麥價格的歷史數據。算出平均價格後，他詫異地發現這些數據似乎的確是 11 年重複一次，在每個週期的第三年或第四年這些商品從最高價格開始下降。這種聯繫讓傑文斯非常興奮，急忙在新創刊的科學雜誌《自然》上發表了他的發現。

圖：傑文斯

不過，他的工作立刻遭受了批評，很多人認為他所用的數據界定不清晰、數學條件模糊。好在傑文斯還比較誠實，在力圖證明自己的結果時，傑文斯也發現他計算平均價格的方法會影響結果。只要他稍微改變條件，就會發現不同規律的週期。

因為當時人們普遍相信太陽黑子週期會影響氣候，他又假設在饑荒的年份，印度和其他熱帶國家對英國商品的需求下降，加速了經濟低迷。因此，商業的週期仍然跟太陽黑子的極大期和極小期有關，只不過不是直接的關係。

傑文斯的新想法沒能讓他的批評者們安靜多少。其中一些天文學家覺得他的推論太過離譜。《泰晤士報》和《經濟學人》上刊登了一些直率的反駁，指出一些他的分析中存在的矛盾。傑文斯捍衛著他的理論，並且在生命最後幾年繼續完善這個理論。1882 年，他去世的那年，他發表了這個主題的相關文章，但是他的分析並沒有影響到任何人。因為就在一年前，大家對太陽黑子和氣候之間可能存在的關係已經失去了興趣。

英國政府的首席印度氣象學家布蘭福德向饑荒委員會報告，太陽黑子數和季風範圍之間的簡單關係並不存在。雖然可以追溯出某種模式，但根據太陽觀測做出的天氣預報很快就變得不準了。布蘭福德認為，如果有什麼關係存在，也不是明顯的、直接的或者有用的關係。之後不久，他證明喜馬拉雅山脈上的降雪量可以用來預測季風帶來的降雨量，這是世界上第一次長期天氣預報。

隨著人們對太陽黑子與氣候關係興趣的消逝，永遠充滿懷疑精神的艾裡逐漸退出歷史舞臺。這位 80 歲的已擔任皇家天文學家達 46 年的老人在 1881 年退休了。

他的離開倒是讓蒙德鬆了一口氣。蒙德繼續每天拍攝太陽，而且與新的皇家天文學家威廉·克里斯蒂關係很不錯。克里斯蒂一上任，就馬上把太陽天文學擺在了首位，訂購了新的設備，讓蒙德可以測量太陽黑子的面積，並更換了太陽照相儀，使蒙德能更順利地追蹤太陽黑子每天的變化。

現在的蒙德已經是格林尼治天文臺太陽研究部門的首席專家了。每個晴朗的日子他都去太陽觀測站兩次，搖動曲柄讓房子的尖頂轉向太陽。太陽照相儀望遠鏡口徑有 10 釐米，在大晴天時蒙德經常將其遮擋成 7 釐米左右。為了進一步減少太陽光和防止照相底片曝光過度，太陽照相儀上設計了一個很聰明的裝置，能夠實現千分之一秒的曝光時間。在望遠鏡的一處橫截面位置有道凹槽，一塊帶有狹縫的銅片裝在上面。在準備用望遠鏡拍照時，他先把銅片固定住，銅片就能完全阻擋陽光進入望遠鏡另一端的照相機部分。當他把望遠鏡對準太陽，並且把底片妥善裝好，就放開固定裝置。一個強力彈簧會把銅片向下推，讓狹縫掃過聚焦後的光束，會有一小部分光通過狹縫。一個鏡頭把光放大，產生直徑達 20 釐米的太陽表面影像。影像落在底片上後，蒙德迅速將其送去沖洗。

太陽表面無止境的變化讓蒙德著了迷，就好像他所看到的顯著變化都是經久不衰的樂趣之源。他很浪漫地把這項工作看成是給太陽留下肖像，而顫抖的磁鐵則記錄了太陽的“簽名”。

1882 年 11 月的一天，堅持不懈觀測太陽的蒙德終於獲得了回報。那天清晨，他從格林尼治天文臺的辦公室望出去，看到太陽在霧氣後面發出暗紅的光，一個巨大的黑子出現在太陽表面上。他的目光轉移到不遠處的一隊士兵，在行軍時，士兵們互相指點著太陽黑子。蒙德急忙趕去大圓頂，那裡 6 米長的分光望遠鏡在白天是閒置的。蒙德起用了這臺大設備，費力地把它挪到位置上。當他把分光鏡直接對焦在太陽上的暗斑時，他看到了隱藏的秘密。氣態氫形成的閃亮卷鬚從黑子附近噴出，好像被巨大的壓力推擠著——一次光學耀斑正在他眼前發生。那天晚上，強力的極光照亮了寒冷的冬季夜空，電報網絡癱瘓了。第二天早晨檢查磁場讀數時，蒙德發現格林尼治天文臺的設備度過了一個“心神不安”的夜晚，似乎來自太陽黑子的神秘磁場造成了強烈擾動。他開始思考怎樣把這些用某種確定的數學形式描述出來。

他回顧幾十年來的可用數據時，發現總體趨勢很明顯，但是每當任何人要去挖掘其中的細節時，那種關聯總是令人難以捉摸。不是每個大的太陽黑子都會產生磁暴，然而在別的時候甚至小的黑子也會給磁場設備造成嚴重干擾。關鍵點一定就是耀斑。只有當太陽黑子出現耀斑時，它才會以某種方式把磁場發射到地球，大黑子似乎比小黑子更容易發生耀斑。

而最大的謎團在於為什麼磁暴要在耀斑之後差不多一天才發生。是不是太陽發射了一顆磁場炮彈，先要呼嘯著穿過太空之後才會擊中地球？這種想法對維多利亞時代的人來說屬於科幻故事，因為當時的科學家都認為磁場僅在磁體周圍存在，不移動的磁體是不可能把磁場“裝瓶”發送到別的地方的。

克里斯蒂讓英國在各地設立的氣象站都配備了太陽照相儀望遠鏡。拍攝的照片都被裝船運送回格林尼治，以保證獲得完整的日面記錄。然而，因為不知道如何使用數學工具來分析這些觀測數據，蒙德似乎就只能止步於當一名太陽數據的管理員了，也就是兢兢業業地數出每天出現和消失的太陽黑子，卻永遠無法真正理解他看到的東西。毫無疑問，蒙德缺少正式的數學教育阻礙了他進行數據分析。

在這一時期，太陽物理學領域的科學家們分辨出了一個又一個化學元素，很多是地球上的金屬元素。當時的科學家有一些很有趣的想法，比如，因為在太陽上探測到的這些金屬是氣態的，於是，有些人認為，太陽的大氣層跟地球的類似，但是太陽上的是金屬蒸氣雲。當這些雲下雨時，熔融的金屬暴雨就從太陽的天空傾瀉而下。大家可以閉上眼睛腦補一下，反正我覺得這個畫面挺酷的。

蒙德在格林尼治獨自奮鬥了 15 年之後，終於被分配了一個職員來幫他處理工作上的數學需求。

安妮剛剛畢業於劍橋大學格頓學院數學專業，就被安排在蒙德名下接受指導。蒙德有個優點，他有著強烈的男女平等的觀念，也花了很多時間來教導她。安妮對蒙德的太陽研究也產生了濃厚興趣，蒙德 15 年的觀測數據和天文經驗與安妮的數學技能相結合，使得他們成為工作上的好搭檔。正應了那句話，男女搭配，幹活不累。從這裡你可以看出，數學在天文學研究中是多麼重要。這讓我想起了，開普勒從第古手中接過數據，總結出了開普勒三定律。

到了 1891 年 2 月，他們再次目睹了太陽耀斑爆發，在黑子滑過太陽表面時，蒙德猜想它是否會帶來一次極光爆發。他沒有失望。在情人節的前一天，隨著太陽黑子如雨般地噴射出磁場，天空撥打出一波一波的紅光。電報操作遭受中斷的那天，新發明的電話線路也因為充滿尖利的干擾聲和響鈴聲無法正常使用。在美國新澤西州的普林斯頓，市民和學生聚集在街道上觀看這一奇觀，有人甚至宣稱巨大的災難將要降臨地球。

蒙德並非唯一一個全神貫注地觀看 1892 年 2 月太陽黑子的科學家。在大洋彼岸的美國，一個要太陽不要老婆的年輕人也在追尋著太陽的秘密。

喬治·海耳一從麻省理工學院畢業，就已經被認為是世界一流的天文學家。畢業前，他已經徹底地研究了本生和基爾霍夫的光譜分析技術，並且使用這一理念發明了太陽單色光觀測鏡。這臺儀器在邱園太陽照相儀的基礎上做了改進，能夠用單色光拍攝太陽照片，可顯著地減少眩光，從而顯示更豐富的細節。隨著這一發明消息的傳開，美國和歐洲各地的大學紛紛發來聘書，但是，他擔心的是這些學院想要的是他的知識而非他本人。於是，在他老爸的支持下，雖然書中沒說，多半是個有錢人，因為他們決定自己在家裡建造天文臺。

圖：喬治·海耳

這還不是一個小天文臺，他們可是建了一個擁有觀測圓頂和辦公室的3層建築綜合體。1891 年的落成典禮有 100 多位嘉賓參加，其中很多是美國著名的天文學家和學者。

此後，海耳開始了耗費大量精力的太陽研究計劃，以至於把新婚妻子都給冷落了，婚姻也因此出現危機。

1892 年 2 月的太陽黑子給了海耳一個絕佳的機會，讓他拍出了完美的單色太陽表面照片。到 7 月另一個黑子複合群出現時，他一直是每天拍攝和沖洗 5 到 10 張照片。7 月 8 日，他開始拍攝一個出現在太陽東側邊緣的特殊太陽黑子。隨著日子推移，這個黑子一分為二。7 月 15 日，黑子處於太陽中心的子午線附近時，兩個明顯黑子中間出現了一條由發光氣體形成的明亮脊線。當天海耳的第一張照片是在下午拍攝的，12 分鐘之後拍了第二張。他調整了一下望遠鏡，27 分鐘後曝光了第三張底片。當他沖洗照片時，在第一張照片上看到了他所期待的太陽黑子，但第二張顯示了一些完全不同的東西。那對黑子上方有一條明亮的光帶，向外延伸到太空中，光帶尾端是一個燃燒的白色球體。海耳很震驚，沖洗了第三張照片。明亮的光帶消失了，太陽黑子完全被髮光氣體幕吞沒了。

他急忙回到望遠鏡前，把望遠鏡改成目視模式。雖然他看到太陽黑子週圍發光的氫雲慢慢地將最後的爆炸能量射入太空，如同即將熄滅的火焰餘燼，但景象已經幾乎恢復正常。

就如同卡林頓那次改變命運的觀測一樣，海耳目睹了太陽黑子群上方一個巨大耀斑裂開衝向太空。相比卡林頓來說，他的設備更加靈敏，能夠更長時間地追蹤爆炸的後續影響，但兩次事件的相似之處非常明顯。一天之後，通信線路出現了嚴重的干擾，連接紐約和新澤西州伊麗莎白之間的線路上形成了 210 伏的電壓。

1892 年 7 月的太陽耀斑，喬治·埃勒裡·海耳於他的肯伍德私人天文臺拍攝。按順序顯示耀斑爆發之前、之中和之後的太陽黑子群。圖(a)拍攝於下午4點58分，圖中心聚在一起的黑點就是太陽黑子群。圖(b)拍攝於下午5點10分，跨過黑子群伸展的亮線就是耀斑本身。圖(c)拍攝於下午5點37分，耀斑的餘光把太陽黑子上方的整個區域照亮了。到晚上7點50分，這個區域已經恢復正常，如圖(d)所見。（圖片來源：海耳於1931年發表在《天體物理學報》雜誌第73期第239頁的標題為“太陽單色光望遠鏡及其成果” 的文章，美國天文學會授權轉載）

因為在正確的時間和正確的地方，海耳成功地用太陽單色光望遠鏡拍到了耀斑的照片，此舉穩固了他在天文學界的聲望，也加強了他畢生致力於太陽研究的興趣。這次成功後不久，新成立的芝加哥大學前來聘請他。海耳的老爸作為他的經紀人，談了一個非常優厚的條件。這再次證明他老爸肯定是個成功的商人。海耳直接以天體物理學教授身份加入芝加哥大學。大學會發給海耳至少 25 萬美元的資金，讓他在大學校園中再建一座更好的天文臺。

於是，英國的蒙德和美國的海耳，開始了一場追逐太陽的競賽。科學有故事，咱們下期接著聊。

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