伽利略对太阳黑子的发现和论证

袁 玲

（上海交通大学科学史与科学文化研究院，上海 200240）

太阳黑子是太阳表面的低温区域，是一种典型的太阳活动，但历史上发现太阳黑子的过程却是漫长且艰辛的，尤其是在西方，自从中世纪时期神学家圣托马斯·阿奎那（Thomas Aquinas，约1225-1274年）将亚里士多德（Aristotle，公元前384-332 年）的宇宙学理论与基督教教义结合以后，“月上世界是完美的”观念就逐渐成为了神圣且不可侵犯的教条。在这种思想观念的支配下，欧洲漫长的历史中关于太阳黑子的记录屈指可数，直至1609 年，伽利略（Galileo Galilei,1564-1642 年）成功制造了望远镜，将其指向天空，不但发现了太阳黑子，而且论证了太阳黑子的存在，引起社会关注，才改变了这种状况。

伽利略发现太阳黑子一事，在科技史著作中多有记载，并给予高度评价。但是，在中国，早在汉代，人们就发现了太阳黑子，《淮南子·精神训》中“日中有踆乌”的记载，就是中国古人发现太阳黑子的直接证据，现存汉画像石中大量日中有三足乌的图像，也昭示着这一点。那么，伽利略的发现究竟有何意义？他的发现与中国人的发现到底有何不同？要说清楚这一点，就要从他是如何发现并确认太阳表面有黑子谈起。虽然国内不少著作都曾提及这个发现，但是鲜有专门论述该过程的。尝试在前人研究的基础上，从伽利略《星际使者》（The Starry Messenger）、《关于太阳黑子的书信》(The Letters on the Sunspots)以及《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》(Dialogue concerning Two Chief World Systems)等著作着手，进一步探讨其发现太阳黑子的过程。

1 望远镜天文学创立之前的太阳黑子记录

早在望远镜发明之前，人类就已经通过肉眼直接观察到了太阳黑子，例如，在古代中国，天文学家很早就对太阳黑子进行了观测和记录。据李维宝的整理，这些记录高达112 条[1]。古代中国之所以能够发现太阳黑子，是因为中国人没有信奉“天体完美”的观念，注意观察天象变化，特别是由于受天人感应观念的影响，古人认为太阳上出现黑斑是上天的一种警示，意味着帝王有了过错，需要及时发现并采取相应措施[2]。为了巩固自己的政治地位，历来帝王对此都极为重视，并且要求天文机构安排专人每天观测天象，相关记录自然丰富。

与此形成鲜明对比的是在古代西方。由于受亚里士多德“月上世界是完美的”观念的影响，希腊人不重视对异常天象的观察，没有留下太阳黑子的记录。到中世纪，基督教神学对该观念的支持，使日月星辰被赋予了完美的不容有异议的教条形象，谁要是反对亚里士多德就等于反对教会，就会被斥为“异端”，甚至有生命危险。这就导致欧洲人多数时候对于太阳黑子要么视而不见，要么虽然见到，却对之做别的解释。中世纪欧洲关于用肉眼观测太阳黑子的记录仅有8 条。其中较早的一次记录是在公元807年8月19日，艾因哈德(Einhard，770～840年)在《查理曼大帝传》（Life of Charlemagne）一书中声称观测到了太阳上巨大的黑点，并且持续了7天[3]，不过当时欧洲人误以为是水星凌日（即地球、太阳、水星在同一直线上，地球与太阳隔水星相对位置时所出现的现象）。之后在公元1128 年12 月8 日，曾经参与编著《盎格鲁·撒克逊编年史》的伍斯特区的修道士约翰，在没有望远镜的情况下，绘制了表面有两个大暗点的太阳图，当时约翰不仅对这些暗点进行了描绘，更是注意到了它们的外层阴影，这就说明这些黑子应该是很大的。不过上述的这些在当时均未引发人们的热议，人们并没有明确认识到黑子是太阳本身的一部分。

当然，欧洲文献中还有其余一些关于太阳黑子的记录和描述，但是这些发现要么被无视，要么就是被解释为“行星凌日”。这一状况，直至伽利略成功制造了望远镜才发生改变。

2 对太阳黑子研究的起始

1609 年，伽利略在听闻荷兰人发明了一种视远为近的仪器后，创造性的自制了放大率更高的望远镜，并将观测范围从地表转向天空，从此揭开了天文学史的新篇章。伽利略边观测边总结，于1610 年3 月出版了《星际使者》一书，向人们介绍了他的第一批观测结果，其中包括对月球表面和木星等现象的最初观测。这本书的出版，让伽利略受到了科学界的极大关注，得以跻身于欧洲著名学者之列。此书出版后，他很快又投入对金星和太阳的观测中，并且发现了太阳表面有黑子。

差不多同一时期，英国天文学家、数学家、翻译家托马斯·哈里奥特（Thomas Harriot，1560-1621年）、荷兰籍天文学家约·法布里休斯（Fabricius Johannes，1587-约1615 年）和他的父亲大卫·法布里奇乌斯（David Fabricius，1564-1617 年，德籍牧师、天文学家）也都相继观察到了太阳黑子。当时第一个发表相关内容的是约·法布里休斯，接着是德国耶稣会著名的天文学家克里斯托弗·沙伊纳（Christopher Scheiner,1575-1650 年），他在寄给奥格斯堡（Augsburh）市长马克·威尔塞（Marc Welser）的信中，声称于1611 年4 月份发现这些黑点。但由于沙伊纳是亚里士多德的拥护者，所以他认为太阳既然是一个完美无暇的天体，自然不可能有斑点，更别说还是不断变化的黑子了，这些移动着并且会消失的黑斑不过是行星运动到太阳面前而造成的黑影。

1612 年1 月，威尔塞写信给伽利略，征询他对黑子的看法，并在信里附上了“友人”阿佩尔斯（Apelles）关于太阳黑子的论文抄本，不过后来被揭露这个“友人”正是沙伊纳。但因为伽利略当时正忙于《水中浮体对话集》（Discourse on Bodies in Water）的写作，加上对于太阳黑子的观察也还在起步中，所以直至四个月后才给予回复。

在给威尔塞的第一封信中，伽利略这样写道[4]：“请原谅我由于这个问题的新奇与困难而迟疑不决，在这过程中，各种各样的想法从我的头脑中通过，时而得到赞成，时而遭到否定，使我感到惶惶不安，不知所措，因为我不喜欢张开了嘴而又不宣传点什么这种做法。尽管如此，我还是不会绝望地放弃这个工作。”信里的这段回复，不难看出伽利略当时对于太阳黑子的成因问题还是保持着非常谨慎的态度，并没有明确的指出黑子是太阳表面的一部分还是“行星凌日”造成的。虽然如此，回信中伽利略对太阳黑子的本质还是展开了细致的讨论并提出了自己的诸多想法。这封超长的回信让威尔塞十分感动，后来他又相继收到了另外两封关于太阳黑子的回信，这使他意识到伽利略对于太阳黑子的解释是非常有意义的，于是联系了猞猁学院（Accademic dei Lincei），希望可以把这些关于太阳黑子的通信放入正在编写的一套丛书中出版。这个提议很快就被采纳了，1613 年春，在猞猁学院的赞助下，《关于太阳黑子的书信》终于出版了，书的主要内容就是伽利略和威尔塞间的通信，里面还包括了伽利略绘制的太阳黑子的运行过程。图1 是他手绘的1612 年6 月1 日到7月中旬的太阳黑子运行图。因为这些黑子的位置变化虽然有规律可循，但其形状却是变幻莫测的，为了能够更加清晰的表现出不同阶段黑子的形态，伽利略将其整个运动过程绘制在一页，可以看出来，此时他对于太阳黑子的观测已经非常的系统化了。

图1 伽利略手绘的太阳黑子运行图

3 伽利略对太阳黑子的论证

在《关于太阳黑子的通信》中，伽利略和沙伊纳进行了辩论，明确表示他不认可这些黑子是行星凌日造成的，指出黑子就存在于太阳表面。除此以外，他更是毫不掩饰地支持哥白尼学说，揭露了亚里士多德和托勒密的错误。信中伽利略列出了4个依据，论证了黑子存在于太阳表面的合理性，具体如下：

首先，这些黑子的数量和明暗程度会发生变化，并且还会在短时间里出现和消失。图2 是伽利略记录的1612年4月5日、4月12日、4月27日、4月29日、4 月30 日、5 月1 日以及5 月3 日一个太阳黑子的形状，并以A、B、C、D、E、F、G、H、L进行标记。图中我们可以清晰地看到这个黑子仿佛是由很多个形状不齐的东西组成，它们有时分开，有时聚拢，相互调换着位置，甚至有着产生和分解的过程[5]，这和亚里士多德学派所宣称的天体是不生不灭的说法完全相悖，而且用行星凌日说也不能解释这种现象。要说明这一现象，只能承认黑子是太阳表面的一部分，是在太阳表面生成的。

图2 伽利略绘制的某个太阳黑子的形状变化

其次，黑子的形状毫无规则，并且运行至太阳边缘时还会发生缩减。经过长期观察，伽利略发现大多数黑子都是形状不齐的，即便有个别黑子在太阳中心时看上去是圆形，在向太阳边缘运动的过程中也会变得越来越窄，几乎像线条一样，和它们在中心又长又宽的样子完全不同。如果黑子是像行星一样围绕太阳做圆周运动，那么无论从哪个角度看都应当是正圆形，并不会变小或是改变形状。然而事实是，运动到边缘的黑子无论是长度还是宽度都缩短了，在与圆运动的投影进行比较后，伽利略断定它们一定是是太阳表面的一部分，而非脱离太阳本体的物体造成的视觉现象。

再次，伽利略提出，只有黑子是在太阳表面的情况下，运动过程中彼此间距的变化比例才满足实际观测数据，他用透视法给出了相关证明：

如图3 所示，A、B 分别为两个太阳黑子，CE 表示太阳的直径，如果太阳黑子在太阳表面，那么半圆CDE 表示自1612 年7 月1 日至7 月8 日观测的A、B（黑子）运动轨迹。G 表示太阳的中心，Z 是地球上的观测者，GZ 表示地球与太阳之间的距离。因为太阳和地球间的距离很远，所以可以将观测者的视线当作是平行的。7 月1 日时黑子A 运行到H 点，B 运行到L 点时，作FH 垂直于CG,FH 平行于GD，由于是从Z点看，所以将轨迹投影至CE上，CF是观测到的黑子A在圆周上的运行距离，FI则是AB的视觉距离，而两个黑子的真实距离为弧HL。随着黑子向太阳中心的运动，会发现AB 间的视觉距离即FI 会不断增加，根据实际观测情况，发现7 月5 日时A、B 两点距离圆心呈对称分布，且此时FI 恰巧等于HL。等到7 月8 日的时候，黑子B 距离E 的距离和7 月1 日黑子A 和C的距离是相等的（CE=SF），这种情况下TX=HL，这与实际观测记录是相符的。但如果黑子是远离太阳沿圆周运动，此时弧MNO 表示A、B（黑子）的运动轨迹，到7 月5 日黑子A、B 两点距离圆心呈对称分布时，同理可得两者视觉距离应为NO（远远小于HL），这与实际观测到的距离HL并不相符[6]。

图3 伽利略寄给威尔塞的第二封信中的证明图

最后，就是黑子运动速度的缩减现象。这些黑子靠近太阳中心时就运动得很快，靠近边缘时则运动得很慢。关于这一点，依据矢量合成法则是很好理解的：假设黑子是在太阳表面上，那么如图4所示，A 点为地球上的观测点，太阳运动的线速度为V，当黑子运动到B 点时候，视觉速度依旧为V，但是运动到C 点时，将速度进行分解投影，观测到的视觉速度则是V1，速度V1显然是小于速度V 的，这也就很好的解释了为什么黑子越靠近太阳边缘运动的越慢。而如果黑子是远离太阳做圆周运动的话，那么这种缩减现象是没法解释得通的。

图4 黑子运动速度的缩减现象示意图

伽利略并不是仅仅通过一次观察就断定黑子是在太阳表面，毕竟利用望远镜观测，人们所看到的始终是一个二维图像，难免会质疑这些黑点究竟是本身就在太阳上，还是类似于水星这样的天体运动到太阳面前而造成的阴影，甚至还存在着另一种可能性，那就是镜片上本来就有黑斑[7]。面对上述这些质疑，伽利略对太阳展开了长时期、反复多次的观测，除了通过检查望远镜本身以及更换镜片，他还结合自身对动力学的研究来比对黑子的视运动。正是基于长期的观察和精确的光学计算，才让他排除了其他几种可能性，得出这些黑子就是在太阳上的科学结论。

4 由黑子论证衍生出的太阳自转模型

伽利略运用望远镜投射法对黑子从形状、颜色和运动轨迹等诸多方面进行长期观测和科学比对后，一一反驳了天文学界对于黑子存在方式的其他假设，论证了黑子是存在于太阳表面上的，还从黑子的周期性变化中推测出太阳存在着自转。

太阳的自旋运动因太阳本身的巨大光亮而难于被发现，伽利略利用其自制望远镜所观察到的太阳黑子运动发现了太阳的自转。那伽利略究竟是如何从黑子的运动现象中，发现太阳的自转运动？在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》的第3 天中，伽利略给出了具体解释：关于太阳黑子的运动轨迹，可以结合图5 理解。假设MN 表示黄道平面，ABCD 为分界限，则EFG、FGH、GHE、HEF 分别表示黑子每隔三个月在圆周ABCD 上的投影轨迹。那么在A 点望去时，黑子显然是沿着直线EFG 运动，此时斜度最大；在这之后，斜度逐渐减小，当到达B 点时，黑子的投影轨迹一条向上的曲线，从F经过G 点然后到H 点时起落点是平衡的；经过短暂的平衡之后，黑子的轨迹将会逐渐倾斜，并在C 点时斜度达到最大，此时黑子开始重新沿着直线运动；最后的三个月内，也就是在D 点时，随着斜度的减小，弧的曲率会不断增大，黑子的起落点重新达到平衡，轨迹投影是一条向下的曲线，从H经过D抵达F。

图5 沿黄道运行一周年的黑子的投影轨迹

基于上述的这些观测结果，伽利略自然就可以推测出基本的太阳模型。如图6 所示，假定ABCD 为黄道面，其与太阳的截面为KFLH，太阳是绕轴NS 逆时针方向旋转，其中NS并非完全垂直于黄道面，而是略微的倾斜，垂直于太阳赤道面（即图中EFGH）。这是因为，如果与黄道面垂直，黑子的运动轨迹就会与黄道带平行，且一直保持着直线，但事实是如图5 所示，黑子的轨迹大多数看上去还是沿着曲线运动，因此太阳的自转轴必定是倾斜的。换言之，黑子运动的视轨迹其实就是由黄道上任何一点看到的太阳赤道的外观所决定的，两极离太阳赤道愈远，黑子的行程就愈弯曲，而且斜度愈小，当两极正好处于太阳赤道时，斜度就会变得最大，同时曲率变得最细小，黑子的轨迹程则几乎趋于直线[6]。总的来说，一旦周年运动是地球的运动，且太阳围绕着略微倾斜的日轴逆时针自转时，那么黑子的运动轨迹就会符合实际观测结果。

图6 太阳的基本模型

5 结语

伽利略对太阳黑子的发现和论证不仅仅是一次天文新发现，更是对日心说所引发的天文学革命的推进与完善，在科学史上有着无比重要的意义。虽然从现代科学的角度来看，伽利略的一些结论还是存在着一定问题，但是在17世纪的欧洲，伽利略率先使用望远镜对太阳黑子进行观测，并对黑子的性质做了细致分析，排除了其他各种可能性，从多个方面论证了它们是太阳表面的一部分，并由此得出了太阳本身也存在自转的结论。这些结论向传统的天体是完美的观念发起了挑战，动摇了亚里士多德和托勒密宇宙学说的理论基础和结构模型，为近现代天文学和物理学的发展奠定了重要的科学观测和论证的基础。