太阳王（4）：太阳数据管理员

打包知识点

➀ 没有学位的有志青年蒙徳进入英国皇家天文台，开启太阳研究生涯。

➁ 蒙德坚持不懈地拍摄太阳黑子照片，积累了海量数据，但缺乏数据分析能力。

➂ 美国的海耳于1892 年拍摄到了完美的太阳耀斑照片。

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在卡林顿去世 3 年前，21 岁的爱德华·沃尔特·蒙德在伦敦的一家银行工作。1872 年年底，他看到皇家天文台招聘助理的公告。这次招聘在英国是破天荒的第一次，因为没有像通常那样有学位要求，蒙德没有学位。但是要参加严格的考试，这是英国第一次试行此类做法，当时的一些英国的有识之士已经感到学位和能力不是一定挂钩的，很多有能力的人没有学位。

图：理查德·卡林顿的学术继承人蒙徳

蒙德就是这样一位有志青年，他从小就拥有强烈的好奇心，但却从未受过充分的正规教育。他小时候有一天，在放学回家的路上，看到太阳低低地挂在西边，通红的、沉重的球体被雾气遮住了一部分，14 岁蒙德竟然看的入了迷。他在红色的太阳表面上看到了一个清晰可见的黑色斑点。他觉得那像是一个扎进太阳里的钉子头。在弥尔顿的《失乐园》中，作者描写撒旦降落在太阳上，留下的印记就像透过“装有玻璃镜片的光学管”看到的太阳黑子。

蒙德家比较贫困，但信仰非常虔诚。他小时候做过的最接近科学的一件事情是，他用自己的脚步丈量了克罗伊登的街道，并用肉眼估计了每条路与其他路的夹角。他把数据带回家，画出了他们所居住地区按比例缩小的地图。这件事情已经能充分体现出蒙德的天赋。

1871 年 1 月，出于对科学的兴趣，他前往伦敦国王学院就读，学习化学、数学和自然哲学，他当时学习的自然哲学实际上就是今天的物理学。

一年后，蒙德遇到了格林尼治天文台的招聘，而这次招聘的主要岗位之一就是要找太阳照相仪的操作人员。不过蒙德进入天文台没有那么顺利，他在 1872 年第一次招聘考试时失败了，在竞争两个职位时考了第三名，但一年后他又考了一次，终于在 1873 年 11 月 6 日考取了摄影和光谱学助理的职位，主要负责太阳天文学。但当他到了格林尼治天文台的时候，这位年轻人发现很难适应那里的环境。

当时天文台的负责人叫艾里，他很厌恶员工必须通过这套新流行的考试制度的做法，尤其是对于没有学位的人。他在一封信里将蒙德描述成“我见过最蠢的人——真的选错人了”。

而蒙德也很害怕这位坏脾气的皇家天文学家。艾里 70 多岁时稍微有些驼背，一副金属框眼镜紧紧压在眼睛上，他总是在天文台里徘徊巡视，就好像一个狱警一样。他披着黑色双排扣长外套，竖起的衬衫领子用绷紧的颈饰固定，不管走到哪里都对员工做一番评判。有一次，他与蒙德相遇。虽然蒙德已经在天文台工作一年多了，但只要皇家天文学家一出现就会让他吓得发抖。他抖得太厉害，结果把一瓶每天用来冲洗太阳照片的显影化学药剂掉在地上了。这次意外事件气得艾里写信给海军大臣抱怨他们的人事任命。不过，蒙德还是在家人的鼓励下，努力调整者自己，以适应格林尼治天文台的制度。

图：艾里

最初，蒙德他们发现了一些有趣的巧合。在太阳黑子极大的年份，印度的平均气压似乎会降到最低。同时，印度洋上的风暴更频繁了。人们还发现了地球上其他地区更多的关联现象。太阳黑子极大期看起来也跟苏格兰和南非记录到的最低气温有关。在美国，太阳黑子极大期好像引起了大量降雨，导致五大湖创下水位最高纪录。这种关联被鲜明地认为是存在的。所以连学校都教育孩子说天气是受太阳黑子影响的，只是我们不知道到底是如何影响的。

有一位叫杰文斯的数学家，甚至发现太阳黑子周期通过影响气候从而影响到了经济。19 世纪中叶以来，维多利亚时代的人们就发现贸易活动周期大约为 10 年。经济增长与衰退的问题一直没有得到解答。杰文斯突然想到 10 年的经济周期跟太阳黑子 11 年的周期长度接近。他开始进行研究，重新按照威廉·赫歇尔的思路去调查农业产量。他查看了小麦、大麦、燕麦、黄豆、豌豆、野豌豆和黑麦价格的历史数据。算出平均价格后，他诧异地发现这些数据似乎的确是 11 年重复一次，在每个周期的第三年或第四年这些商品从最高价格开始下降。这种联系让杰文斯非常兴奋，急忙在新创刊的科学杂志《自然》上发表了他的发现。

图：杰文斯

不过，他的工作立刻遭受了批评，很多人认为他所用的数据界定不清晰、数学条件模糊。好在杰文斯还比较诚实，在力图证明自己的结果时，杰文斯也发现他计算平均价格的方法会影响结果。只要他稍微改变条件，就会发现不同规律的周期。

因为当时人们普遍相信太阳黑子周期会影响气候，他又假设在饥荒的年份，印度和其他热带国家对英国商品的需求下降，加速了经济低迷。因此，商业的周期仍然跟太阳黑子的极大期和极小期有关，只不过不是直接的关系。

杰文斯的新想法没能让他的批评者们安静多少。其中一些天文学家觉得他的推论太过离谱。《泰晤士报》和《经济学人》上刊登了一些直率的反驳，指出一些他的分析中存在的矛盾。杰文斯捍卫着他的理论，并且在生命最后几年继续完善这个理论。1882 年，他去世的那年，他发表了这个主题的相关文章，但是他的分析并没有影响到任何人。因为就在一年前，大家对太阳黑子和气候之间可能存在的关系已经失去了兴趣。

英国政府的首席印度气象学家布兰福德向饥荒委员会报告，太阳黑子数和季风范围之间的简单关系并不存在。虽然可以追溯出某种模式，但根据太阳观测做出的天气预报很快就变得不准了。布兰福德认为，如果有什么关系存在，也不是明显的、直接的或者有用的关系。之后不久，他证明喜马拉雅山脉上的降雪量可以用来预测季风带来的降雨量，这是世界上第一次长期天气预报。

随着人们对太阳黑子与气候关系兴趣的消逝，永远充满怀疑精神的艾里逐渐退出历史舞台。这位 80 岁的已担任皇家天文学家达 46 年的老人在 1881 年退休了。

他的离开倒是让蒙德松了一口气。蒙德继续每天拍摄太阳，而且与新的皇家天文学家威廉·克里斯蒂关系很不错。克里斯蒂一上任，就马上把太阳天文学摆在了首位，订购了新的设备，让蒙德可以测量太阳黑子的面积，并更换了太阳照相仪，使蒙德能更顺利地追踪太阳黑子每天的变化。

现在的蒙德已经是格林尼治天文台太阳研究部门的首席专家了。每个晴朗的日子他都去太阳观测站两次，摇动曲柄让房子的尖顶转向太阳。太阳照相仪望远镜口径有 10 厘米，在大晴天时蒙德经常将其遮挡成 7 厘米左右。为了进一步减少太阳光和防止照相底片曝光过度，太阳照相仪上设计了一个很聪明的装置，能够实现千分之一秒的曝光时间。在望远镜的一处横截面位置有道凹槽，一块带有狭缝的铜片装在上面。在准备用望远镜拍照时，他先把铜片固定住，铜片就能完全阻挡阳光进入望远镜另一端的照相机部分。当他把望远镜对准太阳，并且把底片妥善装好，就放开固定装置。一个强力弹簧会把铜片向下推，让狭缝扫过聚焦后的光束，会有一小部分光通过狭缝。一个镜头把光放大，产生直径达 20 厘米的太阳表面影像。影像落在底片上后，蒙德迅速将其送去冲洗。

太阳表面无止境的变化让蒙德着了迷，就好像他所看到的显著变化都是经久不衰的乐趣之源。他很浪漫地把这项工作看成是给太阳留下肖像，而颤抖的磁铁则记录了太阳的“签名”。

1882 年 11 月的一天，坚持不懈观测太阳的蒙德终于获得了回报。那天清晨，他从格林尼治天文台的办公室望出去，看到太阳在雾气后面发出暗红的光，一个巨大的黑子出现在太阳表面上。他的目光转移到不远处的一队士兵，在行军时，士兵们互相指点着太阳黑子。蒙德急忙赶去大圆顶，那里 6 米长的分光望远镜在白天是闲置的。蒙德起用了这台大设备，费力地把它挪到位置上。当他把分光镜直接对焦在太阳上的暗斑时，他看到了隐藏的秘密。气态氢形成的闪亮卷须从黑子附近喷出，好像被巨大的压力推挤着——一次光学耀斑正在他眼前发生。那天晚上，强力的极光照亮了寒冷的冬季夜空，电报网络瘫痪了。第二天早晨检查磁场读数时，蒙德发现格林尼治天文台的设备度过了一个“心神不安”的夜晚，似乎来自太阳黑子的神秘磁场造成了强烈扰动。他开始思考怎样把这些用某种确定的数学形式描述出来。

他回顾几十年来的可用数据时，发现总体趋势很明显，但是每当任何人要去挖掘其中的细节时，那种关联总是令人难以捉摸。不是每个大的太阳黑子都会产生磁暴，然而在别的时候甚至小的黑子也会给磁场设备造成严重干扰。关键点一定就是耀斑。只有当太阳黑子出现耀斑时，它才会以某种方式把磁场发射到地球，大黑子似乎比小黑子更容易发生耀斑。

而最大的谜团在于为什么磁暴要在耀斑之后差不多一天才发生。是不是太阳发射了一颗磁场炮弹，先要呼啸着穿过太空之后才会击中地球？这种想法对维多利亚时代的人来说属于科幻故事，因为当时的科学家都认为磁场仅在磁体周围存在，不移动的磁体是不可能把磁场“装瓶”发送到别的地方的。

克里斯蒂让英国在各地设立的气象站都配备了太阳照相仪望远镜。拍摄的照片都被装船运送回格林尼治，以保证获得完整的日面记录。然而，因为不知道如何使用数学工具来分析这些观测数据，蒙德似乎就只能止步于当一名太阳数据的管理员了，也就是兢兢业业地数出每天出现和消失的太阳黑子，却永远无法真正理解他看到的东西。毫无疑问，蒙德缺少正式的数学教育阻碍了他进行数据分析。

在这一时期，太阳物理学领域的科学家们分辨出了一个又一个化学元素，很多是地球上的金属元素。当时的科学家有一些很有趣的想法，比如，因为在太阳上探测到的这些金属是气态的，于是，有些人认为，太阳的大气层跟地球的类似，但是太阳上的是金属蒸气云。当这些云下雨时，熔融的金属暴雨就从太阳的天空倾泻而下。大家可以闭上眼睛脑补一下，反正我觉得这个画面挺酷的。

蒙德在格林尼治独自奋斗了 15 年之后，终于被分配了一个职员来帮他处理工作上的数学需求。

安妮刚刚毕业于剑桥大学格顿学院数学专业，就被安排在蒙德名下接受指导。蒙德有个优点，他有着强烈的男女平等的观念，也花了很多时间来教导她。安妮对蒙德的太阳研究也产生了浓厚兴趣，蒙德 15 年的观测数据和天文经验与安妮的数学技能相结合，使得他们成为工作上的好搭档。正应了那句话，男女搭配，干活不累。从这里你可以看出，数学在天文学研究中是多么重要。这让我想起了，开普勒从第古手中接过数据，总结出了开普勒三定律。

到了 1891 年 2 月，他们再次目睹了太阳耀斑爆发，在黑子滑过太阳表面时，蒙德猜想它是否会带来一次极光爆发。他没有失望。在情人节的前一天，随着太阳黑子如雨般地喷射出磁场，天空拨打出一波一波的红光。电报操作遭受中断的那天，新发明的电话线路也因为充满尖利的干扰声和响铃声无法正常使用。在美国新泽西州的普林斯顿，市民和学生聚集在街道上观看这一奇观，有人甚至宣称巨大的灾难将要降临地球。

蒙德并非唯一一个全神贯注地观看 1892 年 2 月太阳黑子的科学家。在大洋彼岸的美国，一个要太阳不要老婆的年轻人也在追寻着太阳的秘密。

乔治·海耳一从麻省理工学院毕业，就已经被认为是世界一流的天文学家。毕业前，他已经彻底地研究了本生和基尔霍夫的光谱分析技术，并且使用这一理念发明了太阳单色光观测镜。这台仪器在邱园太阳照相仪的基础上做了改进，能够用单色光拍摄太阳照片，可显著地减少眩光，从而显示更丰富的细节。随着这一发明消息的传开，美国和欧洲各地的大学纷纷发来聘书，但是，他担心的是这些学院想要的是他的知识而非他本人。于是，在他老爸的支持下，虽然书中没说，多半是个有钱人，因为他们决定自己在家里建造天文台。

图：乔治·海耳

这还不是一个小天文台，他们可是建了一个拥有观测圆顶和办公室的3层建筑综合体。1891 年的落成典礼有 100 多位嘉宾参加，其中很多是美国著名的天文学家和学者。

此后，海耳开始了耗费大量精力的太阳研究计划，以至于把新婚妻子都给冷落了，婚姻也因此出现危机。

1892 年 2 月的太阳黑子给了海耳一个绝佳的机会，让他拍出了完美的单色太阳表面照片。到 7 月另一个黑子复合群出现时，他一直是每天拍摄和冲洗 5 到 10 张照片。7 月 8 日，他开始拍摄一个出现在太阳东侧边缘的特殊太阳黑子。随着日子推移，这个黑子一分为二。7 月 15 日，黑子处于太阳中心的子午线附近时，两个明显黑子中间出现了一条由发光气体形成的明亮脊线。当天海耳的第一张照片是在下午拍摄的，12 分钟之后拍了第二张。他调整了一下望远镜，27 分钟后曝光了第三张底片。当他冲洗照片时，在第一张照片上看到了他所期待的太阳黑子，但第二张显示了一些完全不同的东西。那对黑子上方有一条明亮的光带，向外延伸到太空中，光带尾端是一个燃烧的白色球体。海耳很震惊，冲洗了第三张照片。明亮的光带消失了，太阳黑子完全被发光气体幕吞没了。

他急忙回到望远镜前，把望远镜改成目视模式。虽然他看到太阳黑子周围发光的氢云慢慢地将最后的爆炸能量射入太空，如同即将熄灭的火焰余烬，但景象已经几乎恢复正常。

就如同卡林顿那次改变命运的观测一样，海耳目睹了太阳黑子群上方一个巨大耀斑裂开冲向太空。相比卡林顿来说，他的设备更加灵敏，能够更长时间地追踪爆炸的后续影响，但两次事件的相似之处非常明显。一天之后，通信线路出现了严重的干扰，连接纽约和新泽西州伊丽莎白之间的线路上形成了 210 伏的电压。

1892 年 7 月的太阳耀斑，乔治·埃勒里·海耳于他的肯伍德私人天文台拍摄。按顺序显示耀斑爆发之前、之中和之后的太阳黑子群。图(a)拍摄于下午4点58分，图中心聚在一起的黑点就是太阳黑子群。图(b)拍摄于下午5点10分，跨过黑子群伸展的亮线就是耀斑本身。图(c)拍摄于下午5点37分，耀斑的余光把太阳黑子上方的整个区域照亮了。到晚上7点50分，这个区域已经恢复正常，如图(d)所见。（图片来源：海耳于1931年发表在《天体物理学报》杂志第73期第239页的标题为“太阳单色光望远镜及其成果” 的文章，美国天文学会授权转载）

因为在正确的时间和正确的地方，海耳成功地用太阳单色光望远镜拍到了耀斑的照片，此举稳固了他在天文学界的声望，也加强了他毕生致力于太阳研究的兴趣。这次成功后不久，新成立的芝加哥大学前来聘请他。海耳的老爸作为他的经纪人，谈了一个非常优厚的条件。这再次证明他老爸肯定是个成功的商人。海耳直接以天体物理学教授身份加入芝加哥大学。大学会发给海耳至少 25 万美元的资金，让他在大学校园中再建一座更好的天文台。

于是，英国的蒙德和美国的海耳，开始了一场追逐太阳的竞赛。科学有故事，咱们下期接着聊。

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