庆祝太阳-地球日：心灵的全食

本文发表于《大众科学》的前博客网络，仅反映作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点

尽管天气多变，春天终于来临，纽约美国自然历史博物馆本周末将举办一系列活动，以“探索日食以及太阳与地球相互作用背后的现象”。本文着眼于2017年日全食的视觉感知方面——以及艺术家的凝视可以为视觉科学带来什么。 

本文的西班牙语版本最初由Mente y Cerebro于今年早些时候发表。

心灵的全食

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作者：Stephen L. Macknik 和 Susana Martinez-Conde 

当汽车以每小时 120 公里的速度沿着全食路径飞驰时，苏珊娜探出窗外。月球以每小时 1,674 公里的速度向我们飞奔而来，这意味着我们变成了一个代数应用题。苏珊娜尽力稳住她的手机摄像头——同时透过相机镜头上的阳光滤镜对准太阳。她宣布了日食的进程，“已经完成四分之三了！” 我们原本打算在南卡罗来纳州查尔斯顿的海滩观看日食。但在 8 月 21 日的那个早晨，天空多云，我们不相信演出时天空会晴朗。我们希望确保天空无云，并且我们能够直接看到日食：没有任何视觉记录设备可以取代我们亲眼目睹这一事件。因此，我们跳上汽车，沿着 26 号州际公路向西行驶，玩了一场天体胆小鬼游戏。当我们在南卡罗来纳州与佐治亚州和田纳西州交界附近的格林维尔与我们的宇宙猎物相遇时，我们的追逐终于结束了，时间刚过下午 2 点。

在晴朗的天空下，我们发现自己身处格林维尔动物园，在猴子的陪伴下观看了日全食。在全食期间，灵长类动物变得异常安静。也许它们也感受到了我们周围奇怪的大气压抑，或者可能是因为周围数百名人类在白天陷入黑暗时发出尖叫和欢呼声：在一个神奇的时刻，角色发生了奇怪的逆转。这对我们所有人来说都是一次变革性的体验，值得花费数月时间进行计划才能实现。但为什么值得呢？从我们家里的 Twitter feed 上观看日食直播难道不够吗？       

我们所看到的

用肉眼观看日食是无可比拟的体验。日食的视频录像就是不一样。原因在于，无论现代相机技术如何进步，您的视觉系统仍然是现存最出色的可见光成像设备。即便如此，日食也有许多亮度级别可供观看：16 个数量级，而人类视觉系统仅对 6 个数量级做出反应。这意味着即使是人眼也无法欣赏日食期间的全部亮度范围。

在日全食中，月球阻挡了来自光球层的亮度——光球层是太阳强烈发光表面，大部分光线从中辐射出来——但您仍然暴露在色球层中——色球层是在光球层边缘包裹太阳盘的火热外层大气。色球层非常明亮，以至于会使您的视网膜光感受器饱和，因此您无法区分其中的所有变化；在人类观察者看来，它看起来是痛苦的白色。

亮度随着与光球层距离的函数呈急剧下降，使人类视觉能够辨别太阳延伸的外层大气（称为“日冕”）中许多奇妙而怪异的亮度变化。在飘渺而锯齿状的日冕中，可以看到五到六个数量级。它延伸到您所能看到的范围之外：大多数日冕亮度变化对于人眼来说太弱而无法检测到，并且它们看起来像最黑暗的夜晚一样黑。

您可以通过以下思想实验来直观地了解日食中的许多亮度级别——包括高于和低于人类亮度感知范围的亮度级别：想象一颗昏暗的恒星，每秒大约有 1,300 个光子到达您的眼睛。现在想象一下放置在第一颗恒星右侧的第二颗恒星，大约有 13,000 个光子在同一秒内到达您。然后在它的右侧添加第三颗恒星，亮度是前一颗的 10 倍（130,000 个光子/秒）。并不断添加亮度增加 10 倍的恒星，直到您拥有 16 颗恒星，每颗恒星都比下一颗亮 10 倍，最右边的恒星与我们的太阳一样明亮。最左边最暗的 7 颗恒星对您来说是不可见的，最右边的 3 颗恒星看起来同样是白色的，而编号为 8-13 的中心恒星从左到右亮度会增加。同样，我们的眼睛无法捕捉到日食的整个可用亮度调色板，但它们仍然优于地球上所有可用的照相机，这些照相机一次只能区分几个数量级。

巴特勒所看到的

人类视觉系统优于相机的能力，促使天文学家研究艺术家在画布上捕捉到的日食画作。霍华德·罗素·巴特勒 (Howard Russell Butler)（1856-1934 年）是其中最受欢迎的一位。由于日食通常只持续一到三分钟，20 世纪早期对太阳日冕的许多理解都源于巴特勒的记忆以及随后他对所目睹的日食的描绘。这些画作在也见过日食的天文学家看来是准确的，但它们似乎与现有的摄影证据非常不同，摄影证据遗漏了人们在日冕中看到的许多锯齿状形状。这引发了一个科学难题：应该相信绘画证据还是摄影证据？

争议

加州理工学院喷气推进实验室的 Richard Woo 提出，人类视觉一定具有类似于 Newkirk 相机的滤镜——Newkirk 相机是一种带有特殊滤镜的改进型相机——因为 Newkirk 相机拍摄的照片具有类似于巴特勒画作中描绘的日冕形状。 

但 Woo 也指出，人类视觉与 Newkirk 相机不同，因为所有地球相机（包括 Newkirk 相机）都会在太阳两极产生色球层空洞。这些空洞在巴特勒的画作（或我们自己对 2017 年日食的感知）中并不明显。它们也从太空尤利西斯望远镜相机拍摄的图像中消失了，这向 Woo 表明，巴特勒的画作——以及由此推及的人类视觉——优于任何和所有地球相机。 

这在天文学中是一个重要的问题，因为太阳两极的色球层空洞在关于太阳风起源的理论中起着核心作用。Woo 解释说，分析师在分析望远镜相机的输出时，必须选择要研究的亮度数量级。当分析师选择使太阳特征可见的光照强度级别时，两极的光照强度会变得不可见，因为一次只能可视化几个数量级的亮度。如果这是真的，那么太阳的色球层实际上可能是完整的，两极没有空洞。但并非所有天文学家都同意 Woo 的提议。

关于艺术与科学

令人瞩目的是，巴特勒的艺术才能——以及他对仅观察了几分钟的日食的惊人回忆——导致了当前在太阳日食表现中人类感知与高科技摄影之间的分歧。

尽管争论仍在继续，但这个故事突显了科学家和艺术家之间合作的重要性。视觉艺术家是敏锐、聪明、忠实和专注的人类感知观察者——因此，与感知神经科学有充分的合作和交叉融合的潜力。在我们自己的研究中，我们研究了画家和魔术师设计的错觉，我们发现，作为科学家，我们可以从艺术家那里学到很多东西，就像他们可以从我们这里学到东西一样。

这并非新观点。在文艺复兴时期，艺术与科学之间的界限是模糊的，莱昂纳多·达·芬奇是同时运用艺术和科学的杰出代表，他的成功归功于这两个领域的结合。几个世纪后，最初的神经科学家圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔是一位技艺精湛的艺术家，他运用自己敏锐的绘画能力，准确地描绘了微观脑组织解剖结构。因此，他发现神经元是构成神经回路的基本脑细胞，神经回路负责我们看到、触摸、感觉或思考的一切。科学教育也开始接受这种观点，呼吁 STEAM（Science、Technology、Engineering、Art 和 Mathematics） 而不仅仅是“STEM”培训。 

更多探索

艺术捕捉到的太阳日食的感知解释了成像如何错误地表示太阳风的来源。 R. Woo，2015 年。Iperception，6(6):2041669515613710。

太阳日食的艺术与科学。 R. Woo，2016 年。美国科学家，7-8 月 208-211 页。

不错的日食照片，尽管它肯定不如实物。 Klein, J, 2017 年。纽约时报，8 月 22 日。