慶祝太陽-地球日：心靈的全食

本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，僅反映作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點

儘管天氣多變，春天終於來臨，紐約美國自然歷史博物館本週末將舉辦一系列活動，以“探索日食以及太陽與地球相互作用背後的現象”。本文著眼於2017年日全食的視覺感知方面——以及藝術家的凝視可以為視覺科學帶來什麼。 

本文的西班牙語版本最初由Mente y Cerebro於今年早些時候發表。

心靈的全食

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作者：Stephen L. Macknik 和 Susana Martinez-Conde 

當汽車以每小時 120 公里的速度沿著全食路徑飛馳時，蘇珊娜探出窗外。月球以每小時 1,674 公里的速度向我們飛奔而來，這意味著我們變成了一個代數應用題。蘇珊娜盡力穩住她的手機攝像頭——同時透過相機鏡頭上的陽光濾鏡對準太陽。她宣佈了日食的程序，“已經完成四分之三了！” 我們原本打算在南卡羅來納州查爾斯頓的海灘觀看日食。但在 8 月 21 日的那個早晨，天空多雲，我們不相信演出時天空會晴朗。我們希望確保天空無雲，並且我們能夠直接看到日食：沒有任何視覺記錄裝置可以取代我們親眼目睹這一事件。因此，我們跳上汽車，沿著 26 號州際公路向西行駛，玩了一場天體膽小鬼遊戲。當我們在南卡羅來納州與佐治亞州和田納西州交界附近的格林維爾與我們的宇宙獵物相遇時，我們的追逐終於結束了，時間剛過下午 2 點。

在晴朗的天空下，我們發現自己身處格林維爾動物園，在猴子的陪伴下觀看了日全食。在全食期間，靈長類動物變得異常安靜。也許它們也感受到了我們周圍奇怪的大氣壓抑，或者可能是因為周圍數百名人類在白天陷入黑暗時發出尖叫和歡呼聲：在一個神奇的時刻，角色發生了奇怪的逆轉。這對我們所有人來說都是一次變革性的體驗，值得花費數月時間進行計劃才能實現。但為什麼值得呢？從我們家裡的 Twitter feed 上觀看日食直播難道不夠嗎？       

我們所看到的

用肉眼觀看日食是無可比擬的體驗。日食的影片錄影就是不一樣。原因在於，無論現代相機技術如何進步，您的視覺系統仍然是現存最出色的可見光成像裝置。即便如此，日食也有許多亮度級別可供觀看：16 個數量級，而人類視覺系統僅對 6 個數量級做出反應。這意味著即使是人眼也無法欣賞日食期間的全部亮度範圍。

在日全食中，月球阻擋了來自光球層的亮度——光球層是太陽強烈發光表面，大部分光線從中輻射出來——但您仍然暴露在色球層中——色球層是在光球層邊緣包裹太陽盤的火熱外層大氣。色球層非常明亮，以至於會使您的視網膜光感受器飽和，因此您無法區分其中的所有變化；在人類觀察者看來，它看起來是痛苦的白色。

亮度隨著與光球層距離的函式呈急劇下降，使人類視覺能夠辨別太陽延伸的外層大氣（稱為“日冕”）中許多奇妙而怪異的亮度變化。在飄渺而鋸齒狀的日冕中，可以看到五到六個數量級。它延伸到您所能看到的範圍之外：大多數日冕亮度變化對於人眼來說太弱而無法檢測到，並且它們看起來像最黑暗的夜晚一樣黑。

您可以透過以下思想實驗來直觀地瞭解日食中的許多亮度級別——包括高於和低於人類亮度感知範圍的亮度級別：想象一顆昏暗的恆星，每秒大約有 1,300 個光子到達您的眼睛。現在想象一下放置在第一顆恆星右側的第二顆恆星，大約有 13,000 個光子在同一秒內到達您。然後在它的右側新增第三顆恆星，亮度是前一顆的 10 倍（130,000 個光子/秒）。並不斷新增亮度增加 10 倍的恆星，直到您擁有 16 顆恆星，每顆恆星都比下一顆亮 10 倍，最右邊的恆星與我們的太陽一樣明亮。最左邊最暗的 7 顆恆星對您來說是不可見的，最右邊的 3 顆恆星看起來同樣是白色的，而編號為 8-13 的中心恆星從左到右亮度會增加。同樣，我們的眼睛無法捕捉到日食的整個可用亮度調色盤，但它們仍然優於地球上所有可用的照相機，這些照相機一次只能區分幾個數量級。

巴特勒所看到的

人類視覺系統優於相機的能力，促使天文學家研究藝術家在畫布上捕捉到的日食畫作。霍華德·羅素·巴特勒 (Howard Russell Butler)（1856-1934 年）是其中最受歡迎的一位。由於日食通常只持續一到三分鐘，20 世紀早期對太陽日冕的許多理解都源於巴特勒的記憶以及隨後他對所目睹的日食的描繪。這些畫作在也見過日食的天文學家看來是準確的，但它們似乎與現有的攝影證據非常不同，攝影證據遺漏了人們在日冕中看到的許多鋸齒狀形狀。這引發了一個科學難題：應該相信繪畫證據還是攝影證據？

爭議

加州理工學院噴氣推進實驗室的 Richard Woo 提出，人類視覺一定具有類似於 Newkirk 相機的濾鏡——Newkirk 相機是一種帶有特殊濾鏡的改進型相機——因為 Newkirk 相機拍攝的照片具有類似於巴特勒畫作中描繪的日冕形狀。 

但 Woo 也指出，人類視覺與 Newkirk 相機不同，因為所有地球相機（包括 Newkirk 相機）都會在太陽兩極產生色球層空洞。這些空洞在巴特勒的畫作（或我們自己對 2017 年日食的感知）中並不明顯。它們也從太空尤利西斯望遠鏡相機拍攝的影像中消失了，這向 Woo 表明，巴特勒的畫作——以及由此推及的人類視覺——優於任何和所有地球相機。 

這在天文學中是一個重要的問題，因為太陽兩極的色球層空洞在關於太陽風起源的理論中起著核心作用。Woo 解釋說，分析師在分析望遠鏡相機的輸出時，必須選擇要研究的亮度數量級。當分析師選擇使太陽特徵可見的光照強度級別時，兩極的光照強度會變得不可見，因為一次只能視覺化幾個數量級的亮度。如果這是真的，那麼太陽的色球層實際上可能是完整的，兩極沒有空洞。但並非所有天文學家都同意 Woo 的提議。

關於藝術與科學

令人矚目的是，巴特勒的藝術才能——以及他對僅觀察了幾分鐘的日食的驚人回憶——導致了當前在太陽日食表現中人類感知與高科技攝影之間的分歧。

儘管爭論仍在繼續，但這個故事突顯了科學家和藝術家之間合作的重要性。視覺藝術家是敏銳、聰明、忠實和專注的人類感知觀察者——因此，與感知神經科學有充分的合作和交叉融合的潛力。在我們自己的研究中，我們研究了畫家和魔術師設計的錯覺，我們發現，作為科學家，我們可以從藝術家那裡學到很多東西，就像他們可以從我們這裡學到東西一樣。

這並非新觀點。在文藝復興時期，藝術與科學之間的界限是模糊的，萊昂納多·達·芬奇是同時運用藝術和科學的傑出代表，他的成功歸功於這兩個領域的結合。幾個世紀後，最初的神經科學家聖地亞哥·拉蒙-卡哈爾是一位技藝精湛的藝術家，他運用自己敏銳的繪畫能力，準確地描繪了微觀腦組織解剖結構。因此，他發現神經元是構成神經迴路的基本腦細胞，神經迴路負責我們看到、觸控、感覺或思考的一切。科學教育也開始接受這種觀點，呼籲 STEAM（Science、Technology、Engineering、Art 和 Mathematics） 而不僅僅是“STEM”培訓。 

更多探索

藝術捕捉到的太陽日食的感知解釋了成像如何錯誤地表示太陽風的來源。 R. Woo，2015 年。Iperception，6(6):2041669515613710。

太陽日食的藝術與科學。 R. Woo，2016 年。美國科學家，7-8 月 208-211 頁。

不錯的日食照片，儘管它肯定不如實物。 Klein, J, 2017 年。紐約時報，8 月 22 日。