经过150年的探索之后，我们对伴随日食出现的日冕现象有了深入的了解。
漂亮而又令人费解的日食是自然界发生的罕见现象，对这一现象的研究由来已久，涉及领域也颇为广泛，包括神秘主义、宗教和科学等等。有趣的是，这幅由16世纪艺术家安托万·卡隆创作的绘画首次被伦敦考陶尔德艺术学院购得时被命名为《天文学家研究日食》
16世纪的法国是一个宗教教义与迷信思想难以和谐共存的社会，自然界中被探测到的不寻常事件均被认为具有隐秘的含义。当时的人们认为，像日全食这样的另类事件肯定蕴藏着某种奥秘。正是在这种社会背景下，皇后凯瑟琳·德·梅第奇(Catherine de Medici)的宫廷画家安托万·卡隆(Antoine Caron)通过绘画对日食场景进行了描绘（如图所示）。如今，该作品收藏于洛杉矶保罗·盖蒂博物馆，标题为《最高法院法官狄俄尼索斯转化异教哲学家》（这也被认为是其最初的标题）。与卡隆的神学渲染相比，近来对日食的研究主要集中于引起该现象的物理力以及由日食引发的显著视觉效应。
据考证，对日食的现代研究大约始于1860年。当时的研究人员一致认为，环绕太阳黑暗体的发光区域的外观――日冕――实际上是太阳的大气层。地球上的观测者平常无法看见这种大气，而只有在出现日食时才能一睹芳容，因为此时月球遮挡了更为明亮的太阳直射光线。早期研究的目的是确定日食期间显现的白光的亮度在空间如何分布。尽管最初的这些研究主要通过视觉观察和摄影以及后来的定量测量进行，但最终是艺术家霍华德·罗素·巴特勒(Howard Russell Butler，1856―1934)创作的一系列鲜为人知的绘画为实现这一目标提供了所需的拼图。
艺术捕捉的视觉感知
当谈到关于视觉现象的学术研究时，“眼见为实”这句谚语其实是一个陷阱。通过“所见”在大脑中产生的图像可能会与照片大相径庭，在努力准确捕捉太阳日冕视觉感知时，这一点尤为明显。巴特勒拥有非凡的才能，其绘画能够再现眼睛看到的一切，而且比之前或之后的任何作品都更令人信服。他画技高超，能够根据记忆将短时间内看到的东西画入画中――如日出和日落景象，而这一技能让他在创作只能持续数分钟时间的日食绘画时如鱼得水。他还创作肖像画，其中最负盛名的是著名的慈善家和实业家安德鲁·卡内基(Andrew Carnegie)的肖像画。在创作这类画作时，他始创了另一项让他的创作轻松自如的技能：希望减少绘画主体的静坐时间，并发展了一套速记草图系统，用以记录特定的色彩、阴影和特征，以供之后参考。
巴特勒创作的关于1932年日食（上图）的绘画因其精确性而得到认可，但与天文学家哈珀·霍尔(G. Harper Hall)拍摄的同一事件的照片（中图）的相似性仍然极小。最近，配有径向分级滤光器的纽克相机意外地能够模仿人类视觉系统中眼睛和大脑的工作方式，从而捕捉到巴特勒画中冕流的虚幻景象（下图）
然而，巴特勒最重要的资历是他曾在新泽西大学（现在的普林斯顿大学）学习过物理与电气工程，并于1876年获得了学位。1918年，当他受邀参加美国海军天文台组织的日食观测时，这种学术背景让他受益匪浅。尽管此前他从未见过日食，但他起草了细致入微的科学计划，并利用自己能够绘制瞬态现象的艺术加以执行。见过日食而且看过巴特勒绘画作品的天文学家将其作品视为完美的奇迹――无论是形式还是色彩，这都是一件兼具精确和现实等优势的艺术作品。
将巴特勒的绘画与其下方的两幅照片对比会发现很多问题。照片中的亮度分布为什么与巴特勒绘画中的亮度分布不同？中间那幅球状日冕照片中为什么没有绘画中出现的冕流？绘画和照片之间，哪一幅呈现的是真实的日冕现象（如果有一幅是的话）？
成像与现实
要回答这几个问题，必须有一套适用于各种情况的标准，还必须以此为前提：图像只是定量测量（或者换而言之，分布于空间的亮度数值）的反映。因为定量测量代表真正的亮度，所以它们对于理解和验证用于科学目的的图像至关重要。例如，采用等照度线（或者亮度保持恒定的轮廓）表示白光在整个图像中的分布情况就是一种有用的定量方式，就像等高线图上的等高线一样。
这张毫不引人注目的2006年的日食照片显示，日冕的白光分布为球状，在内侧边缘（上图）亮度最大。光线亮度的层次可用等照度线的形式划分，并像等高线图上的等高线一样叠加在照片上（下图）
例如2006年3月29日的日食的球状日冕及其相应等照度线图像。（我们选择了这次最近发生的日食，因为当时测量的等照度线比之前的日食更为精确。）
当等照度线叠加在球状日冕上时，离边界最近的等照度线与日冕的形状相吻合。这种情况在意料之中，因为被人感知的日冕形状由亮度阈值灵敏度决定，而其亮度水平则由离该形状最近的等照度线决定。在用更少的曝光时间拍摄图像捕捉到更少的光时，成像日冕就会缩小，但其形状在较低高度时仍与相关的等照度线相吻合。
用等照度线来表示亮度揭示了图像本身无法清晰显示的白光日冕的另一个重要定量属性。它的亮度因为与太阳圆盘的径向距离而急剧下降。在离太阳边缘仅仅一个太阳半径的地方，亮度只是其1/100。由于摄影成像的动态范围有限，显示有扩展日冕的图像上的内冕亮度可达到饱和状态。不过，外冕（日冕亮度处于非饱和状态的地方）形状与各种高度的等照度线之间的巧合验证了球状日冕能够代表白光亮度的真正分布状况――现实情况就是这样。
感知错觉
有人可能会问，在巴特勒绘制的日冕形状中，等照度线为什么无法识别？这一明显的矛盾源自我们视觉背后的物理约束。人类的眼睛和大脑的动态范围极大，因此，无论是晴空万里还是月光婆娑，事物都无法逃过我们的眼睛，但人类的眼睛和大脑只有通过利用被称作亮度适应的现象改变总体灵敏度才能达到这个范围。我们不会有意识地去感知这一现象，但从明亮的大厅走进漆黑一片的电影院时，我们会考虑这一问题，然后等待我们的眼睛去适应突如其来的黑暗。
亮度适应必须付出代价。单独看时，我们可以在日光和黑暗的阴影中识别变化，但它们相继出现时，我们同时辨别变化的能力比适应范围要小得多。在日常生活中，这种限制不成问题，因为眼睛和大脑遇到日冕这种带有超过两个数量级亮度动态范围的物体的情况极为罕见。面对这种非凡景观，眼睛和大脑的首要任务是识别视线内的物体：难怪要通过形成一种错觉来应对这一挑战。这样，问题就变成：错觉的本质是什么？
由地面高地天文台莫纳罗亚山日冕光度计拍摄的1997年1月17日白光日冕图像再现了分散的极冕洞和冕流伪影（上图）。当亮度和对比度增强时（下图），分散的极冕洞的错觉消失不见
已处理图像的伪影
这一问题在20世纪60年代有了答案。当时，位于科罗拉多州博尔德科的高地天文台开发出一款专用相机，其功能与人类视觉系统非常相似。这款纽克相机配备了径向分级滤光器，用于补偿急剧下降的亮度。正如在巴特勒的绘画中显示的那样，纽克相机拍摄的图像经过处理后，其日冕形状与等照度线轮廓毫无相似之处，而除非通过修正以便于滤光，否则无法表示日冕真正的亮度分布。因此，日冕明显的锯齿状形状是伪影。此外，巴特勒创作的1932年日食画中的日冕与纽克相机拍摄的1994年日食照片中的日冕惊人地相似，这表明冕流不仅是已处理图像的伪影，也是视觉感知的错觉。
由纽克相机提供的关于肉眼如何识别日冕的见解非常宝贵。通过展现冕流的形成过程，它揭示了光学错觉的工作方式。这一结果并不太令人惊讶，因为使用纽克相机的目的是为了在一次曝光中通过抑制更明亮的内冕捕捉日冕亮度较大的动态范围――这一目标明显与视觉感知相似。
是伪影而非错觉
冕流并不是已处理图像的唯一伪影。另一种伪影是所谓的冕洞，它们经常在日冕底部作为黑暗区域出现于两极，并随着高度的增加而不断延伸并增加。在巴特勒绘画捕捉的错觉中，明显不存在这类冕洞，这一点可从本文以及我在2010年发表于《美国科学家》杂志的文章中配文刊发的其他绘画作品中看到。由于该图像的亮度灵敏度不足，所以纽克相机明显抑制了内冕的亮度，以至于在冕洞中无法探测到亮度。当已处理图像的亮度增加时，这些冕洞就会消失，那些处理过的图像也变得和巴特勒的绘画一样。
虽然极冕洞只是伪影，但它并非是像冕流一样的视错觉。冕洞并不会在定量测量中出现，在球状日冕绘画或未处理图像中也不明显。对日冕进行成像几十年之后，发现常见于当今大多数日食照片中不同的极冕洞实际上并不存在，这一点让人颇为惊讶。相反，它们只出现于已处理图像中――也就是在那些为了调节亮度而经过处理的图像中――或者是精选径向分级滤光器的结果。因此，从两个方面来说，无论是因为人类活动还是人为选择，冕洞都是一种伪影。
用感知心理学家克劳斯-克里斯蒂安·卡本(Claus-Christian Carbon)的话说，“感知错觉可能会很有趣，但理解其工作原理甚至会更令人兴奋并更具有可持续性……从科学角度而言，产生错觉并非主要为了揭示我们的感知错误或我们的设备出现障碍，而是为了展现人类感知的特殊力量。”巴特勒的绘画作品不仅表明人类感知决定了日冕最明亮的部分位于其底部，也表明太阳四周的亮度具有连续性。能够认识到这一点，并从日冕错觉中排除冕洞的存在，证明了人类感知的力量。
追踪太阳风
被称作太阳风的太阳膨胀大气由从太阳高速释放的带电粒子组成，“尤利西斯”太空任务开展的无线电掩星观测对其起源和演化进行了探索（“尤利西斯”是第一艘利用无线电测量确定电子密度空间分布，从而确定日冕脆弱极地亮度的宇宙飞船）。尽管“尤利西斯”任务获得了丰硕而且准确无误的无线电成果，但却与我和莎迪娅·哈巴尔(Shadia Habbal)于2002年在《美国科学家》杂志讨论的关于太阳风的主流观点不一致。
1995年，当我第一次在印度参与日食观测时，最令我惊讶的是用个人照相机拍摄的照片与教科书上看到的完全不同。20年后，当我发现验证视觉感知、摄影成像和物理测量之间的关系揭示了一个潜藏已久的错误――在当时，认为太阳风是气流的观点具有科学性，这同样让我惊诧不已。该错误乃是基于对不同极性的冕洞的假设性观测结果――我们现在知道，这种观测结果是人为制造的伪影。
如果你有幸能够亲眼见证即将在2017年爆发的本世纪第一次可在美国看到的日全食，请你用相机或智能手机拍下几张快照。在你的照片中，将能够捕捉到像一个世纪以前的照片中的球状日冕。虽然你将无法看到见于众多天文照片中的冕洞或冕流，但请不要感到失望――就亮度分布而言，真理在你手中。在剩下的时间里，你可以去寻找内冕中的冕洞。尽管会无功而返，但你会明白个中原因。然后将注意力转移至外冕，努力找出伸展的冕流，同时将格里菲斯天文台负责人爱德华·克虏伯(Edward Krupp)的建议谨记于心：“虽然日冕的行为具有欺骗性，但眼睛对大脑耍的计谋仍不失为一种快乐。”
资料来源 American Scientist
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本文作者理查德·吴（Richard Woo）是美国加州理工学院国家航空航天局喷气推进实验室的资深研究员，他过去52年的研究主要集中在太阳与行星大气的结构和动力学方面以及利用宇宙飞船无线电信号进行探测。