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上期 太陽王（4）：太陽數據管理員 我們說到美國的海耳拍到了完美的太陽耀斑照片，使得他在天文學界一舉成名。在這個領域，英國的蒙德則是他的最大競爭對手。兩人正式開始了雙雄爭霸。
蒙德堅定地認為，地球上出現的絢麗極光與太陽耀斑之間有著密切的關係，這種關聯的關鍵就是太陽和地球的磁場。
但就在這個時候，他的對面卻突然站出來了一位重量級的反對者，這位反對者是當時科學界的巨星，蒙德在他面前，就好像是小學生在大學生面前一樣。這位巨星是誰呢？不是別人，正是大名鼎鼎的開爾文勳爵。
這裡插句題外話，我相信很多人都聽到過開爾文勳爵這個名字，但這個名字實際上是他晚年被封的貴族姓氏。他的本名叫做威廉•湯姆森。而且勳爵並不是一個具體爵位的名稱，大家知道英國的爵位系統是公侯伯子男，除了公爵之外，其他爵位都可以尊稱為勳爵。威廉•湯姆森被封的是開爾文男爵。
圖：開爾文勳爵
這時的開爾文勳爵是英國皇家學會的會長，這就相當於是中科院的院長，而且年齡也快 70 歲了，在科學界那真的就是德高望重，無論是成就還是名聲還是地位，都是蒙德不能望其項背的。
1892年11月30日，他在英國皇家學會的禮堂進行第二次會長致辭，臺下坐的滿滿當當，所有人都畢恭畢敬地傾聽這位科學泰斗的發言。開爾文說，他希望能糾正50年來懸而未決的難題，也就是如何理解太陽表面和地球上出現的磁暴之間假定的聯繫。
他說，自從卡林頓發現的耀斑發生及第一次有人討論與磁暴的關聯以來，蘇格蘭理論學家麥克斯韋已經發展出一組簡潔的數學定律，來描述了電與磁之間的相互關係。開爾文拿出了來自各家天文臺的磁場數據，指出磁暴的強度經常超過地球天然磁場的好幾倍。之後他開始計算太陽需要耗費多少能量才能在1.5億千米之外的空間有影響。根據麥克斯韋定律，最大的災難可能就是太陽的北磁極突然變成南磁極，也就是磁極反轉。這會以光速向太空中全方位地爆發磁場衝擊波，而磁暴時記錄到的能量僅僅是釋放到宇宙中真實數量的一小部分。
開爾文算出，即使引起一場地球上的中等規模磁暴，就需要太陽在幾個小時內釋放出相當於連續4個月正常發光輻射的總能量。如果太陽能發出這麼大的能量，除了偶爾出現太陽黑子以外，外觀卻保持毫無變化，他覺得這樣的想法很荒謬。
他說卡林頓發現耀斑可能並不特別，只是像噴泉一樣灼熱的太陽物質往上噴發，之後再落回太陽表面。不過，這些評論暴露了開爾文並沒有讀過卡林頓對耀斑的精確描述，而只是基於英國科學促進協會前會長的簡短評論。卡林頓曾描寫道，耀斑與太陽表面並無連接，因為耀斑在僅僅5分鐘的時間裡就相對於日面滑過了56000千米的距離（差不多是地球直徑的4倍半），太陽表面仍保持沒有變化。這個簡單的觀測證明耀斑只限於在太陽的大氣中發生。
開爾文勳爵沒有意識到自己的錯誤，力勸聽眾忘掉太陽黑子與極光、磁暴的聯繫，他的評論文章全文發表在了《自然》雜誌上，並被廣泛傳播。
開爾文勳爵的觀點是對蒙德的重大打擊，而且，開爾文的數學分析看上去也是難以駁斥。但是，蒙德並未因此放棄自己的觀點，而是與助手安妮一起，更加努力地尋找耀斑和磁暴之間的證據。
圖：安妮•蒙德
蒙德此生最大的收穫可能並不是他在天文學上的成就，而是他的助理安妮，因為，安妮也不但成長為了一位訓練有素的天文學家，更重要的是，安妮後來還成為了蒙德孩子的繼母，關係融洽。安妮不但精通數學，更厲害的是，她還利用光學上的數學定律設計了一種微型廣角照相機。雖然鏡頭直徑只有4釐米，但她的計算表明這臺相機可以拍下構成銀河的眾多闇弱恆星。
1898 年，蒙德夫婦帶上了這架相機，來到了印度中部平原，追逐日全食。當日全食發生的時候，他們只有兩分鐘的時間完成工作。隊伍裡的計時員每十秒鐘喊出日全食的剩餘時間。蒙德和安妮行動起來，他們看到日冕非常明亮，發出的光比滿月還亮。它很活躍，光線伸入太空。安妮恰好拍了一張照片。
圖：安妮•蒙德拍攝的日食照片（發光氣體伸入太空），伴隨的手繪圖突出了一些不清晰的細節（圖片來源：斯圖爾特•克拉克的私人收藏）
她拍到了難得一見的日冕，射入太空的乳白色筆直光線長度是太陽直徑的好幾倍。安妮用紙筆計算出進入太空最長的流光長度超過960萬千米。這個數字激發了蒙德的想象力。
他開始想沿著這些光束倒推回去是不是太陽黑子。或許他妻子拍到的景象就是引起磁暴的太陽光束。他想象太陽轉動著把這些光線拋入太空，就好像天上的巨大燈塔。當一束光線正好對著地球時，射線就轟擊到地球上，產生磁暴。如果是真的，這就駁倒了開爾文認為太陽的磁能量是均勻輻射進太空的假設。太陽用某種方法把電磁場集中成束，這一點不浪費能量，那麼開爾文認為引發磁暴需要大到離譜的能量的觀點就站不住了；光束可能射中地球引起磁暴，或者錯過地球。但蒙德不知道有什麼數學理論是關於這種磁場現象的。沒有理論，他對照片的解釋就只是猜測。
此時的蒙德並不知道，他想要的理論正在英國劍橋大學的實驗室，在發光的真空管和嗡嗡響的發電機之中誕生。
做這個實驗的人就是發現電子的約瑟夫•約翰•湯姆孫，因為開爾文勳爵也叫湯姆孫，所以這個湯姆孫在科學史上一般被稱為J.J.湯姆孫。他正在研究的是陰極射線，這種神秘的射線帶著電荷，沿直線穿過真空玻璃管。一系列實驗表明在磁場或電場的作用下陰極射線會改變方向，湯姆孫推測這種神秘的能量束是由大量帶負電荷的粒子組成的。他把這些粒子叫做電子。
圖：J.J.湯姆孫
麥克斯韋認為電是一種場，像水中漣漪一樣向外輻射電能；現在，科學家們卻發現，電是由電子來攜帶的，並且可以像是無數運動的小球一樣，可以被髮射出去。年紀漸老的開爾文勳爵似乎沒注意到這扇通往新世界的窗口，他在 19 世紀與 20 世紀之交寫信給英國科學促進協會時，再次對太陽黑子就是磁暴的起源的觀點全力開火，完全否認有些意料之外的科學研究能給這種關聯提供解釋的想法。他甚至愚蠢地宣稱：“現在物理學不會再有新發現了。所剩的工作就只是進行越來越精確的測量。”
開爾文勳爵廉頗老矣，而蒙德和安妮卻正當年。他們又找到另外一個決定性的證據。他們仔細分析了在 1848 年到 1881 年間，格林尼治天文臺的磁場記錄儀記錄下的 276 次磁暴。
用了8個月的時間，蒙德和安妮仔細核查每一天的太陽黑子記錄、磁暴發生的規模和時間。從結果來看，與較強的磁暴相比，較弱的磁暴卻不大可能找到類似的關係。有的日子看不到太陽黑子卻出現磁暴，有時候出現了黑子群，隨之而來的問題是不知道哪一個引發了磁暴。因此，大型太陽黑子顯然跟磁暴有關係，卻無法得到較小黑子與磁暴的關係。看來蒙德似乎無法證明所有的磁暴都來自太陽。
但是，他們還是找到了證據。1886 年年底，4 次連續的磁暴襲擊了地球，每次的間隔時間都為 27 天。詳細看了記錄後，他發現第二年發生了另一組連續的 4 次磁暴，每次也都相隔 27 天。這個數字很重要，因為從地球上看太陽的平均自轉週期就是27天。換句話說，每 27 天，太陽表面的同一位置就會對著地球。這就是蒙德所需要的突破性進展。他立刻意識到，不需要太陽黑子的數據來證明磁暴與太陽的關聯，只需要看磁暴的數據就夠了。如果他發現磁暴通常以27天週期接連出現，就足以證明太陽是磁暴的根源。在宇宙中沒有別的東西以這個特殊的時間週期跟地球步調一致。
27 天的週期也反駁了太陽從整個表面向外輻射磁場的觀點，如果那樣，磁暴就不會遵循太陽的自轉週期。27 天的週期明確指出磁場是從太陽表面上的特定區域成束射出的。
他們發現一旦磁暴從特定的太陽經度爆發出來，就很可能在 27 天后重現。在他們分析的 279 場磁暴中，有三分之一會這樣成對出現。其中有 8 個案例隨著太陽轉動出現了第三次磁暴，有4個案例繼續出現了第四次磁暴。在一個特殊的案例中，連續出現了 6 次磁暴，且都遵循著27天的模式。
這正是蒙德駁倒開爾文爵士所需的數學證據。他開始做計算，並要到皇家天文學會和英國天文協會做報告。他獲得的突破性進展的消息傳開後，很多人對這場向開爾文爵士的直接挑戰產生好奇。1904年11月11日星期五下午，他們終於等到了。皇家天文學會會員湧入倫敦皮卡迪利街上的伯靈頓宮，聽蒙德講述他的觀點。
在演講廳內，蒙德對會員講述他的推理，清楚指出27天的週期使太陽“風暴”和太陽表面的特定區域聯繫起來。然後他將妻子拍攝的日食照片投影出來，照片展示出日冕的光線延伸到太空中，剛剛獲得諾貝爾獎的阿雷紐斯也新提出一個觀點，認為帶電粒子在某些情況下可能會被太陽吹出來，就像彗星的尾巴。蒙德懷疑這是否就是安妮1898年拍到的東西。然後他展示了另一張安妮於1901年5月18日在毛里求斯拍的日全食照片。這是一張太陽西南位置四分之一局部放大照片，日冕氣體像噴泉一樣從太陽表面散逸到太空中。
在投影屏幕反射出來的光輝下，蒙德在報告結尾時提出一個大膽的主張：“從我提出的結果來看，我認為我們解決了開爾文勳爵的質疑。”
蒙德的演講在天文學界引發了巨大的反響，有支持聲，當然也有反對聲。但是開爾文勳爵卻始終保持沉默。他可能是老糊塗了，既不向蒙德讓步，也不反駁他。反對者們在接下來的一整年都在喧鬧，但蒙德總是能給與有力的回應。
講完了蒙德的工作，我們該前往美國，去看看另一位逐日者海耳了。
海耳拍到1892年耀斑的照片後，在接下來的10年，他陷入葉凱士天文臺的管理工作之中，在太陽研究上沒什麼突出的成果。
蒙德的研究結果傳到了美國，頓時讓海耳受到了很大的刺激，他突然就覺得自己落伍了。於是，他決定從葉凱士天文臺抽身，到加州去建立一座專門用於太陽研究的天文臺以彌補失去的時光。他找到了 30 萬美元的投資，位於加州的威爾遜山天文臺很快就成形了。他開始重建自己作為世界一流太陽觀測專家的名聲。他的努力在3年後有了回報，他第一次探測到太陽黑子裡的強大磁場。然後在1908年9月10日，他看到太陽黑子上出現的第一波活動。想起1892年的事件，他仔細觀察並拍攝了隨之而來的太陽耀斑。海耳發佈了耀斑爆發的徵兆，即特別複雜的太陽黑子週圍的雲層會越來越亮，其他研究者開始認可這是即將發生耀斑的跡象。1909年5月12日，海耳在威爾遜山的同事拍到剛噴發出來的耀斑，同一年晚些時候在倫敦有人看到另一次耀斑。每一次都在大約一天後出現了強烈的磁暴。
圖：威爾遜山天文臺
這些一系列的發現，使得耀斑跟磁暴的關係已經板上釘釘了。
自1859年9月1日上午卡林頓在太陽表面看到前所未見的奇異光芒以來，50 年過去了，在兩代天文學家的努力下，人類終於認識到。地球並不是太空中孤立的星球，它可能會受到太陽突發情況的影響。太陽上會發生奇特的天氣現象，帶電粒子形成雲團吹過空間，引發磁暴和極光。我們對太陽的認識邁入了一個全新的時代。
隨著人類量子理論的發展，我們對微觀世界的本質認識有了長足的進步，下面，讓我用今天的理論還原一下 1859 年的那天，在太陽上到底發生了些什麼：
現在我們知道太陽在日全食時顯示的蒼白外層大氣是由數百萬攝氏度的氣體組成的。高溫使電子脫離原子核，留下一團帶有變化的電場和磁場的沸騰物質，被不斷地向各個方向吹進太空。這種向外流動的日冕物質被稱為“太陽風”，所攜帶的能量產生了太陽系周圍的磁泡。
除了持續的太陽風外，太陽耀斑也會導致日冕粒子強烈爆發。這個現象被稱為日冕物質拋射，這種爆發幾乎可以肯定就是1860年日食時很多人看到的現象。太陽耀斑及其相關的日冕物質拋射就是地球發生磁暴的原因。
當太陽上帶電氣體運動產生一個緊壓在一起的磁環，磁環穿破太陽表面，就好像毛衣上扯起來的線一樣，這時太陽黑子就形成了。在磁環的底部，磁場使氣體冷卻，看起來就比周圍的表面氣體暗一些。磁環越強，黑子就越大越暗。卡林頓和蒙德看到複雜的太陽黑子群形成時，他們實際上是見證了磁環的集合。越多磁環穿破太陽表面，太陽黑子群就顯得越不規則。磁環受到旁邊太陽氣體運動的衝擊，搖搖晃晃地升高到發光表面數千公里上方，之後纏繞在一起，最終裂解成較小的、更穩定的結構。這時，這些磁環會釋放出相當於上百萬個原子彈的能量，以太陽耀斑的形式爆發到太空中。
太陽耀斑的輻射只要8分鐘就能穿越太陽和地球之間1.5億公里的距離。大部分的能量由X射線流攜帶，但在巨大耀斑中，一小部分能量則以可見光的形式發出。這就是發生在1859年9月1日的情形，太陽黑子上方出現了閃耀的白光，讓卡林頓吃了一驚。卡林頓看不見的是，X射線攜帶著耀斑的大部分能量擊中了地球。X射線使大氣中的粒子帶電，改變了地球最上層大氣的電磁性質，邱園天文臺的磁針記錄到了這些變化。卡林頓觀測的時間和邱園的記錄相吻合，那是因為X射線和白光在同一時間到達地球。
第一次襲擊大約幾分鐘就過去了，邱園的儀器就平靜下來了。這是暴風雨前的平靜。太陽耀斑衝破太陽的外層大氣時，引發了一大團帶電粒子云聚集在尾部，開始了一次日冕物質拋射。在接下來的幾個小時內，上百億噸的電子和質子從太陽的外層大氣噴出，直接撞向地球。粒子行進的速度比光和X射線慢得多，但仍有每秒 2400 公里的驚人速度，直到 17.5 個小時之後撞到地球。就是這起碰撞引起了空前的極光、磁暴和電報系統上的電流湧動。最終，半天之後，這團粒子云把地球甩在了身後。
這就是 1859 那次空前規模的極光背後的科學真相。幸運的是，那一年，人類才剛剛進入電氣時代沒有多久，強烈的磁暴並沒有對人們的生活造成太大的影響。在此後的 40 多年中，人類對太陽磁暴的威力都缺乏感性的認識，直到 2003 年 10 月末，我們才第一次真正感受到太陽那狂暴的一面。這是怎麼一回事呢？咱們下集揭曉答案。
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