【神奇天象】古人是如何認(rèn)識(shí)“太陽(yáng)黑子”的？

太陽(yáng)黑子是太陽(yáng)表面溫度較低的區(qū)域，在太陽(yáng)活動(dòng)比較頻繁的年份，會(huì)出現(xiàn)太陽(yáng)黑子，甚至出現(xiàn)黑子群。這是由于太陽(yáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度比地球高了上一萬(wàn)倍，強(qiáng)磁場(chǎng)能夠抑制太陽(yáng)內(nèi)部能量通過對(duì)流的方式向外傳遞。因此，當(dāng)強(qiáng)磁場(chǎng)浮現(xiàn)到太陽(yáng)表面時(shí)，該區(qū)域的背景溫度就會(huì)緩慢下降，從而使該區(qū)域出現(xiàn)暗點(diǎn)，即太陽(yáng)黑子。人們?cè)谠绯炕虬?，?dāng)太陽(yáng)光度減弱時(shí)，使用肉眼就可見觀測(cè)到這種現(xiàn)象。

中國(guó)的歷史文獻(xiàn)中曾使用不同的術(shù)語(yǔ)來(lái)描述太陽(yáng)上的暗斑，如“卵”、“桃”、“李”、“烏”等，雖然了解它們的確切含義并不容易。不過，據(jù)不完全的統(tǒng)計(jì)，中國(guó)從漢代至明代的一千六百余年中，有關(guān)黑子的記載多達(dá)100余次，這卻是沒有任何爭(zhēng)議的。上百次的記載，這可能看起來(lái)數(shù)量并不少，但它只是實(shí)際觀測(cè)的一小部分。由于太陽(yáng)周期性的活動(dòng)，太陽(yáng)的表面經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)斑點(diǎn)，所以太陽(yáng)黑子是一種常見的天文現(xiàn)象。在中國(guó)古代文獻(xiàn)中，并沒有明確提到觀測(cè)太陽(yáng)黑子所用的方法。一般認(rèn)為，最簡(jiǎn)單的方法是在有薄霧或者發(fā)生日食的時(shí)候進(jìn)行觀測(cè)。此外，也可以在水盆中加入墨汁，通過太陽(yáng)在盆中的影子來(lái)觀察。

這樣的觀察方式，以及肉眼對(duì)黑子的感知程度，都會(huì)顯著地降低黑子被觀測(cè)到的可能性。在觀測(cè)條件良好的情況下，人眼可以分辨出大小為1角分的斑點(diǎn)，這大約是太陽(yáng)直徑的三十分之一。但是，即使考慮到觀測(cè)中面臨的各種限制，中國(guó)古人所觀測(cè)到黑子的數(shù)量仍然很低?？梢源笾鹿烙?jì)，在所有可以觀察到的太陽(yáng)黑子中，這充其量只占到0.1%。所以有可能的解釋是，與彗星和客星的觀測(cè)不同，中國(guó)古代對(duì)太陽(yáng)黑子的觀測(cè)并不是系統(tǒng)的。一些研究表明，太陽(yáng)黑子的記錄更多的出現(xiàn)在每個(gè)月的月初。月初意味著朔日附近，也就是可能有日食發(fā)生的時(shí)候，在這期間太陽(yáng)更容易被人們所關(guān)注。特別是，這一時(shí)期人們更關(guān)注于通過觀測(cè)太陽(yáng)，來(lái)確定是否發(fā)生日偏食，以及判斷日食的食分大小，也正是在這些關(guān)鍵性的時(shí)刻，才促使人們更加注意太陽(yáng)黑子的出現(xiàn)。

當(dāng)然，太陽(yáng)黑子的觀測(cè)頻率可能也與帝王的關(guān)注程度有關(guān)。如明初是太陽(yáng)黑子頻發(fā)的時(shí)期，這就曾引起朱元璋的格外關(guān)注和警覺。在各種異常天象中，朱元璋對(duì)“日中有黑子”即太陽(yáng)黑子現(xiàn)象可以說(shuō)是最為關(guān)注的，甚至對(duì)此惶恐不已。太陽(yáng)通常明盛而耀眼，使人不能逼視，因此在古代太陽(yáng)象征著君王的權(quán)勢(shì)不可窺測(cè)。一旦太陽(yáng)的本體光度減低時(shí)，就意味著災(zāi)害的產(chǎn)生。雖然日食也會(huì)產(chǎn)生“日無(wú)光”或“日晝昏”的現(xiàn)象，但日食發(fā)生的時(shí)間往往較短，況且明初的大統(tǒng)歷對(duì)日食的預(yù)測(cè)已經(jīng)達(dá)到比較精確得水平，所以在明代除了出現(xiàn)大食分的日食，或者日食出現(xiàn)在正月或四月即“日食正旦”、“日食正陽(yáng)之月”之外，一般發(fā)生日食只會(huì)按例救護(hù)，并不會(huì)引起過多的恐慌。

然而，太陽(yáng)黑子則不同，由于持續(xù)時(shí)間一般較長(zhǎng)，并且在當(dāng)時(shí)無(wú)法事先預(yù)知，加上明朝初期恰巧又是太陽(yáng)黑子頻發(fā)的時(shí)期，所以才引起了朱元璋的格外關(guān)注和警覺。據(jù)統(tǒng)計(jì)，《明實(shí)錄》中的記載的明代“日中有黑子”記錄共有24條，朱元璋時(shí)期就高達(dá)21條。另?yè)?jù)《明太祖實(shí)錄》記載，洪武三年（1370年）正月初七，朱元璋諭中書省參政陳亮、侯至善：“司天臺(tái)言朔日以來(lái)日中有黑子，其占多端，朕觀存心錄，以為祭天不順?biāo)?，今郊?jí)瘡撵攵Y文太簡(jiǎn)，宜命禮部太常司詳擬圜丘、方丘，增以十二月將旗纛之神”。該年的十一月十九日，朱元璋又因?yàn)榻检霑r(shí)間臨近，但日中卻累有黑子，再次諭輔臣：“朕于天地之祀，夙夜祗惕，凡執(zhí)事群臣皆當(dāng)慎之，有刑過、喪服及體氣瘡瘍者，勿令與祭”。隨后十二月二十七日，日中依然屢有黑子，朱元璋只得下詔讓廷臣諫言評(píng)價(jià)其施政得失。但太陽(yáng)黑子在洪武四年（1371年）依然頻發(fā)，朱元璋甚至不得不親自寫信向當(dāng)時(shí)已經(jīng)致仕的劉基詢問：“日中黑子又見三年，今秋天鳴震動(dòng)，日中黑子或二、或三、或一，日日有之，更不知災(zāi)禍自何年月日至，卿山中或有深知?dú)v數(shù)者、知休咎者，與之共論封來(lái)”。

雖然中國(guó)古代對(duì)太陽(yáng)黑子觀測(cè)的次數(shù)并不算太多，但這卻是中國(guó)古代天文學(xué)中最具代表性的發(fā)現(xiàn)之一，并在相當(dāng)長(zhǎng)的歷史時(shí)期內(nèi)在全世界都是遙遙領(lǐng)先的。因?yàn)樵跉W洲，直到九世紀(jì)才有疑似為太陽(yáng)黑子的記錄留存下來(lái)。

1612年6月23日，伽利略使用了望遠(yuǎn)鏡成功地區(qū)分出了兩組太陽(yáng)黑子的位置，此后歐洲人便將太陽(yáng)黑子的發(fā)現(xiàn)歸功于他。事實(shí)上，英國(guó)人托馬斯·哈里奧特（Thomas Harriot，約1560-1621）和荷蘭人若阿內(nèi)斯·法布里奇烏斯（Johann Goldsmid，拉丁名為Johannes Fabricius，1587-1616年）也分別聲稱在此前的1610年和1611年就已經(jīng)觀測(cè)到太陽(yáng)黑子。1612年，德國(guó)的克里斯多夫·沙伊納（Christophe Scheiner，1573-1650）也緊隨其后發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)黑子。不過，歐洲人一直在焦慮的氛圍中回避著這一發(fā)現(xiàn)。因?yàn)槿藗兒茈y接受這一事實(shí)，即太陽(yáng)作為最重要的恒星，并不是像《圣經(jīng)》所宣稱的那樣完美和永恒不變，他們也一直認(rèn)為根本就不存在什么太陽(yáng)黑子。所以，即便伽利略在使用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到太陽(yáng)黑子后，仍舊有人認(rèn)為黑子只是行星凌日造成的。

太陽(yáng)黑子

2017年9月國(guó)際空間站凌日，位于兩處太陽(yáng)黑子之間

太陽(yáng)與人們的生活息息相關(guān)，我們的先民就曾長(zhǎng)期認(rèn)真地關(guān)注和觀察太陽(yáng)。早在大汶口文化時(shí)期，人們就已經(jīng)在陶器上刻劃有太陽(yáng)的形象，中國(guó)古代的史料對(duì)太陽(yáng)黑子的記錄很多都比較詳實(shí)，如《漢書·五行志》記載有：“河平元年，三月乙未，日出黃，有黑氣大如錢，居日中”，這一內(nèi)容不但記錄黑子出現(xiàn)的日期，還說(shuō)明了黑子的大小、形狀和位置，而這也是目前已知世界最早的太陽(yáng)黑子記錄，因此具有十分珍貴的史料價(jià)值。

大汶口陶尊上的太陽(yáng)

此外，中國(guó)古代對(duì)太陽(yáng)黑子的形狀基本上都有比較形象地描述，這可能與當(dāng)時(shí)對(duì)太陽(yáng)黑子的分類思想有關(guān)。其中大體可以分為三類：第一類為圓形，有如環(huán)、如桃、如李、如錢等；第二類為橢圓形，有如雞卵、如鴨卵、如棗等；第三類為不規(guī)則形，有如飛鵲、如飛燕、如人等。有學(xué)者認(rèn)為，第一類可能是剛出現(xiàn)的黑子，第二類可能是雙極黑子，第三類顯然就是太陽(yáng)黑子群，這些類型實(shí)際上代表了太陽(yáng)黑子產(chǎn)生，發(fā)展和消失過程中的不同形態(tài)，即最初出現(xiàn)僅為一個(gè)小的圓形黑點(diǎn)，然后黑點(diǎn)逐漸增大，以致于分裂成兩個(gè)大黑子，并隨黑子逐漸分裂形成黑子群。明史《明史·天文志》記載有“天啟四年（1624年）正月癸未，日赤無(wú)光，有黑子二，三蕩于旁，漸至百許，凡四日”，這有可能反映就是太陽(yáng)黑子分裂的現(xiàn)象。

《玉歷占》黑子若氣占

古人對(duì)于太陽(yáng)黑子的本質(zhì)也曾有過有趣的爭(zhēng)論，西漢時(shí)期《淮南子》一書認(rèn)為黑子是“日中有三足烏”，即“日中有踆[cūn]烏”。東漢時(shí)期的王充在其《論衡》中認(rèn)為駁斥道：“夫日者，天之火也，……天火之中，何故有烏？火中無(wú)生物，生物入火中，焦?fàn)€而死焉，烏安得立？”，他還明確地指出“黑子是日氣也”，日氣則是是一種火，這樣的認(rèn)識(shí)在當(dāng)時(shí)也是難能可貴的。

在中國(guó)古代對(duì)太陽(yáng)黑子的記錄，為現(xiàn)代天文學(xué)也提供了不少非常寶貴的科學(xué)證據(jù)。首先，可以證實(shí)自十七世紀(jì)以來(lái)的太陽(yáng)的這些活動(dòng)，是長(zhǎng)期存在的，不是近期才發(fā)生的現(xiàn)象。其次，太陽(yáng)黑子的數(shù)量也是有著一定的變化規(guī)律，這至少也是得益于中國(guó)古人的早期觀測(cè)結(jié)果。到了十九世紀(jì)，人們發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)黑子的出現(xiàn)是有周期性的，其中包括就有大家熟悉的11年短周期，這與太陽(yáng)的活動(dòng)緊密相關(guān)。而通過太陽(yáng)黑子的歷史記錄，我們就可以了解太陽(yáng)活動(dòng)更長(zhǎng)期的影響，如16至17世紀(jì)的太陽(yáng)黑子極小期內(nèi)，就發(fā)生了幾千年以來(lái)氣溫最低的“小冰期”。例如，大約是從1645年至1715年的“蒙德極小期”內(nèi)，太陽(yáng)黑子就非常罕見，天文學(xué)家愛德華·沃爾特·蒙德（1851-1928年）在研究那段時(shí)期的觀測(cè)記錄時(shí)發(fā)現(xiàn)，在蒙德極小期當(dāng)中的一段30年時(shí)間里，天文學(xué)家只觀察到約50個(gè)太陽(yáng)黑子，而在平?？梢杂^察到多達(dá)4萬(wàn)至5萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)黑子。由于此時(shí)也恰好是地球的小冰期，由于這個(gè)不正常的時(shí)期與小冰川期有著驚人的聯(lián)系，有觀點(diǎn)認(rèn)為兩者可能存在一定的關(guān)聯(lián)，這也表明了太陽(yáng)活動(dòng)在氣候變化中的影響。

另外，雖然中國(guó)古代對(duì)太陽(yáng)黑子的觀測(cè)是零碎的，但是基于這些文獻(xiàn)材料，1987年哥廷根大學(xué)的惠特曼和南京天文臺(tái)徐振韜通過研究表明，在過去的兩千多年中，太陽(yáng)活動(dòng)的平均周期為11年，但它的持續(xù)時(shí)間可以是從9.9年到12.3年不等。此外，太陽(yáng)活動(dòng)可能同時(shí)還存在一個(gè)220至250年的長(zhǎng)周期，但其原理至今尚不清楚。