想象一下,你是一位大膽的太空探險家,為了冒險而在太陽系中穿梭,如果時間允許,還可以進行科學探索。在乘坐火箭飛船從地球發射升空後,你最終發現自己身處曾經被稱為行星的冥王星表面,仰望著星空。地球現在位於朝著太陽方向六十億公里之外,因距離太遠而變得不可見,你徒勞地掙扎著,甚至無法辨認出太陽。它消失了——只是無數恆星中的一顆,或者說,舊科幻小說中的橋段會這樣認為。
我聽過很多版本的這個小故事,但其中有一個小問題:它是錯誤的。
太陽確實是一顆恆星,與銀河系中數十億顆其他恆星沒有太大區別。然而,對我們人類來說,最重要的是它的距離。地球在一個相當圓形的軌道上繞太陽執行,距離為 1.5 億公里(在近日點和遠日點可能會有幾百萬公里的偏差)——在天文尺度上非常近,以至於太陽是天空中最亮的物體。即使是匆匆一瞥它的光芒也會讓你的眼睛流淚,並可能損害你的視網膜。
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但是從冥王星上看會是什麼景象呢?那個冰冷的世界遠得多,所以太陽應該顯得更暗淡。但是“暗淡”到底有多暗淡呢?我們可以計算出來!
像所有恆星一樣,太陽向各個方向發射光。因此,任何與太陽距離相同的人都會看到它以完全相同的亮度發光。這個固定的距離定義了一個球體的表面——例如,半徑等於地球軌道半徑的球體。
現在想象一下,有人離太陽的距離是現在的兩倍。我們恆星發出的光現在覆蓋了更大的球面表面,並且已經被稀釋,或者更準確地說,是變暗了。回憶一下你的小學記憶,你可能會記得球體的表面積取決於其半徑的平方。這意味著,離太陽距離是地球兩倍的人會看到光線擴散到四倍的面積上,因此它會顯得只有四分之一那麼亮。將你的距離增加三倍,太陽將顯得只有九分之一那麼亮。這就是所謂的“平方反比定律”,它使數學計算變得容易得多。
平均而言,冥王星距離太陽的距離是地球的 40 倍。這意味著從冥王星上看,太陽顯得比我們更晴朗、更熟悉的世界暗淡 40 x 40 = 1,600 倍(或者,用更好的數學語法來說,亮度為千分之一千六)。這是一個很大的下降!但那到底有多暗淡呢?
在我們的天空中,太陽比滿月亮約 40 萬倍。這意味著從冥王星上看,太陽仍然比從地球上看到的滿月亮 250 倍。請注意,滿月的光亮足以輕鬆閱讀,因此即使是從遙遠的冥王星上看,太陽也能很好地照亮地貌:亮度大約相當於地球上的黃昏。
顯然,它會比最亮的夜星還要亮得多、得多。這樣想:要讓太陽看起來像天空中大多數其他恆星一樣,它必須離你像天空中其他恆星一樣遠。例如,半人馬座阿爾法星是一個三合星系統;它由兩顆與太陽有些相似的恆星和第三顆暗淡得多的恆星組成。這些恆星中質量最大的那顆主導著這個星系的亮度。該系統距離地球 40 萬億公里——比冥王星遠6,000多倍——但仍然是天空中最亮的“恆星”之一。顯然,你必須比冥王星走得遠得多,才能將太陽的光芒減弱到那種晦暗程度。
請注意,我也使用了冥王星與太陽的平均距離。冥王星的軌道實際上是相當橢圓的,與圓形有很大偏差。在最近點,它距離太陽大約是地球距離的 30 倍,在最遠點,大約是 50 倍。這意味著,在最遠的地方,太陽的亮度只有地球的千分之二千五——仍然足夠明亮可見。而在最近點,它的亮度是地球的千分之九,比滿月亮 400 多倍,並且會發出耀眼的光芒,以至於你看著它時不得不眯起眼睛。最好戴上太陽鏡,即使在太陽系那麼遠的地方也是如此。
對於科幻小說的橋段來說,情況變得更糟。從冥王星上看,我們的太陽不僅比任何其他恆星都亮得多,而且還可以被分辨出來,也就是說,可以被看作是一個圓盤。在地球的天空中,太陽圓盤的大小為半度。視力正常的人可以分辨出小至六十分之一度的物體。物體的視大小隨著距離線性下降;也就是說,當冥王星距離太陽的距離是地球的 30 倍時,太陽看起來只有地球的三十分之一那麼大。這仍然足夠大,勉強可以讓我們看到太陽是一個圓盤。當然,它會是一個小圓盤,但不是一個沒有可辨別大小的星狀點。誠然,當冥王星離太陽最遠時,我們的恆星看起來只有地球的五十分之一那麼大,所以你會把它看作是一個無法分辨的點,但這種景象取決於冥王星在其軌道上的位置。在冥王星年中的很大一部分時間裡,太陽將是一個耀眼但很小的圓盤。
那將是多麼奇特的景象啊!太陽,在我們自己的天空中如此占主導地位,在冥王星的天空中仍然佔據主導地位,但活力卻遠不如前。
碰巧的是,冥王星有一個大氣層,儘管它非常稀薄,密度只有地球海平面空氣密度的十萬分之一左右。即使在中午,太陽高掛天空時,冥王星上也沒有足夠的大氣來散射陽光,所以天空會是黑色的。但是太陽的眩光仍然會使人難以看到任何星星,更不用說成千上萬顆星星了(儘管如果你用穿著宇航服的手遮擋住太陽,你可能會看到幾顆)。
然而,在冥王星的黃昏時分,情況會發生變化。當太陽在地平線附近較低時,你將穿過更多稀薄的大氣層觀看,散射可能會將太陽附近的天空變成藍色,就像地球上的天空一樣!
我不確定冥王星上的藍色天空會使那個異世界景觀更令人感到舒適,還是僅僅會突顯它的異域情調。但我喜歡科幻小說如何在科學的指導下,給我們帶來對奇妙場所的真實感受。在冥王星上體驗的所有奇特事物中,太陽的景象幾乎位居榜首,但更奇怪的事情可能是,這樣一個異域的地方有時可能會讓你想起地球。
