關於科學,我最喜歡的事情之一是,一個非常簡單的問題可以把你帶入一個兔子洞。給你一個問題:太陽是什麼顏色?
我敢打賭,大多數人會說是黃色。當你剛才想到它時,你可能在腦海中把它想象成黃色。
不久前,一個陰謀論在社交媒體上火爆,起因是一個人在推特上發文,說她記得小時候太陽是黃色的,但現在是白色的。(她還聲稱她在照片中看到的太陽形狀很奇怪——這很可能是由於影像過度曝光造成的。)哪個顏色才是正確的?是她看到的,還是她的相機拍到的?嗯,實際上兩者都不完全正確。但她的相機更接近“真相”。
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太陽是白色的——某種程度上。這取決於你對顏色的解釋、顏色的運作方式、我們眼睛的觀看方式,以及同樣重要的,我們所穿過的空氣。
早在 19 世紀 50 年代,熱力學的新研究——部分內容是溫度如何影響物體的行為——讓物理學家們感到興奮和困惑。隨著時間的推移,他們發展出了“黑體”的概念,即完美吸收所有照射到它上面的輻射的物體。這樣一個物體,在周圍沒有任何輻射的情況下,將是絕對冷的,並且根本不會輻射熱量。但在光的存在下,它會開始變暖,並且隨著溫度升高,它會以光的形式重新輻射熱量,並在整個光譜中發出光。這種光在特定顏色處具有峰值亮度,具體取決於物體的溫度,並且在不同的波長處會變暗。這個想法產生了後來成為黑體曲線的東西,這是一個圖表,顯示物體在不同波長下發光的亮度,具體取決於其溫度。
太陽是一個極其熾熱的氣體球(或者,更詩意,也更準確地說,一團白熾的等離子體),其行為非常像黑體。它與真正的黑體之間最大的區別在於其大氣層中存在氫和其他元素,這些元素吸收非常窄波長範圍的光,從而在黑體曲線中產生間隙。
當我們使用地球大氣層上方的衛星測量太陽的光譜(它在每個波長上的亮度)時,我們發現它在可見光譜部分發出光——也就是說,我們的眼睛可以看到的光的種類。這並非巧合!人類進化是為了能夠看到太陽發出最多光的地方。我們的恆星也發出紫外線和紅外線,儘管不如可見光那麼多。或許令人驚訝的是,太陽在光譜的藍色和綠色部分最亮,並向紅色方向變暗。天真地看,你可能會認為這意味著太陽是青色的!但它顯然不是。
這是因為我們如何觀看。最近我寫了關於我們眼睛中的細胞如何檢測光的文章。視錐細胞是檢測顏色的專門細胞。有三種視錐細胞,稱為 L、M 和 S,它們分別被調整為看到長波長(接近紅色端)、中波長(黃色和綠色)和短波長(藍色)。這個過程很複雜——畢竟是生物學——但是當光線照射到這些視錐細胞時,它們會向大腦傳送訊號,對應於不同顏色光的強度。透過比較這些訊號,大腦將它們解釋為顏色。如果 S 和 M 視錐細胞被強烈啟用,但 L 視錐細胞沒有,你可能會看到更綠的色調,而強烈的 L 訊號會將事物向紅色傾斜。如果進入的光在整個可見光譜中亮度相等,我們就會看到白色。太陽就是這種情況,所以它看起來是白色的。
但實際上並非如此。這個答案對於太空中、在陽光照射到我們的大氣層之前是正確的。例如,宇航員看到的太陽是白色的(當然他們不會直接盯著太陽看,因為在太空工作時,視力通常被認為是很大的優勢)。然而,當陽光穿過我們的空氣時,其中一部分會被吸收或散射掉。並非所有顏色都受到同等程度的影響:接近藍色端的光比紅色光散射得更多。這就是天空是藍色的原因——我們看到來自整個天空的散射光,這使其呈現天藍色。太陽發出的紫色光不如藍色光多,而且我們的眼睛對紫色不如對藍色敏感,所以天空看起來不是紫色的,即使紫色比藍色散射得更多。這個過程稍微改變了太陽的顏色。從太陽光中去除更多的藍色光應該會使它看起來更黃一些。
此外,我們的大腦以相對的方式解釋顏色。我們將一個物體的顏色與視野中的其他物體進行比較。如果天空看起來是藍色的,這也可能使太陽看起來更黃。雖然我經常聽到太陽是黃色的說法,但我並不認同。首先,如果太陽實際上是黃色的,那麼白紙——它在所有顏色中都能很好地反射光——在陽光下也應該看起來是黃色的。但它看起來是白色的。
此外,很難直接盯著太陽來判斷它的顏色。這是一件好事!來自太陽的紅外線會損害我們的視網膜,因此進化鼓勵我們不要盯著它看。當你不能看它時,很難說出它的顏色。在這一點上,我應該非常明確地說明,你永遠不應該直接盯著太陽看。它會在你的視網膜上永久性地灼傷小點,因此這對你的視力非常危險。
我們唯一可以安全地在沒有保護的情況下觀看太陽的時間是當它非常接近地平線並被大氣霧霾減弱時(即使這樣,你也應該小心)。在日出或日落時,它往往會散射掉更多的藍色和綠色光,所以它看起來確實是黃色、橙色甚至紅色。這種模式也可能是人們傾向於認為它是黃色的原因。
至於那些聲稱太陽已經改變顏色的陰謀論者,它實際上並沒有改變。天文學家會注意到這種事情,而且我們以在酷炫的天文現象發生時無法閉嘴而聞名。更可能的是他們只是記錯了。
但這就是色彩的美妙之處。它確實存在於觀看者的眼中。
