关于科学,我最喜欢的事情之一是,一个非常简单的问题可以把你带入一个兔子洞。给你一个问题:太阳是什么颜色?
我敢打赌,大多数人会说是黄色。当你刚才想到它时,你可能在脑海中把它想象成黄色。
不久前,一个阴谋论在社交媒体上火爆,起因是一个人在推特上发文,说她记得小时候太阳是黄色的,但现在是白色的。(她还声称她在照片中看到的太阳形状很奇怪——这很可能是由于图像过度曝光造成的。)哪个颜色才是正确的?是她看到的,还是她的相机拍到的?嗯,实际上两者都不完全正确。但她的相机更接近“真相”。
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太阳是白色的——某种程度上。这取决于你对颜色的解释、颜色的运作方式、我们眼睛的观看方式,以及同样重要的,我们所穿过的空气。
早在 19 世纪 50 年代,热力学的新研究——部分内容是温度如何影响物体的行为——让物理学家们感到兴奋和困惑。随着时间的推移,他们发展出了“黑体”的概念,即完美吸收所有照射到它上面的辐射的物体。这样一个物体,在周围没有任何辐射的情况下,将是绝对冷的,并且根本不会辐射热量。但在光的存在下,它会开始变暖,并且随着温度升高,它会以光的形式重新辐射热量,并在整个光谱中发出光。这种光在特定颜色处具有峰值亮度,具体取决于物体的温度,并且在不同的波长处会变暗。这个想法产生了后来成为黑体曲线的东西,这是一个图表,显示物体在不同波长下发光的亮度,具体取决于其温度。
太阳是一个极其炽热的气体球(或者,更诗意,也更准确地说,一团白炽的等离子体),其行为非常像黑体。它与真正的黑体之间最大的区别在于其大气层中存在氢和其他元素,这些元素吸收非常窄波长范围的光,从而在黑体曲线中产生间隙。
当我们使用地球大气层上方的卫星测量太阳的光谱(它在每个波长上的亮度)时,我们发现它在可见光谱部分发出光——也就是说,我们的眼睛可以看到的光的种类。这并非巧合!人类进化是为了能够看到太阳发出最多光的地方。我们的恒星也发出紫外线和红外线,尽管不如可见光那么多。或许令人惊讶的是,太阳在光谱的蓝色和绿色部分最亮,并向红色方向变暗。天真地看,你可能会认为这意味着太阳是青色的!但它显然不是。
这是因为我们如何观看。最近我写了关于我们眼睛中的细胞如何检测光的文章。视锥细胞是检测颜色的专门细胞。有三种视锥细胞,称为 L、M 和 S,它们分别被调整为看到长波长(接近红色端)、中波长(黄色和绿色)和短波长(蓝色)。这个过程很复杂——毕竟是生物学——但是当光线照射到这些视锥细胞时,它们会向大脑发送信号,对应于不同颜色光的强度。通过比较这些信号,大脑将它们解释为颜色。如果 S 和 M 视锥细胞被强烈激活,但 L 视锥细胞没有,你可能会看到更绿的色调,而强烈的 L 信号会将事物向红色倾斜。如果进入的光在整个可见光谱中亮度相等,我们就会看到白色。太阳就是这种情况,所以它看起来是白色的。
但实际上并非如此。这个答案对于太空中、在阳光照射到我们的大气层之前是正确的。例如,宇航员看到的太阳是白色的(当然他们不会直接盯着太阳看,因为在太空工作时,视力通常被认为是很大的优势)。然而,当阳光穿过我们的空气时,其中一部分会被吸收或散射掉。并非所有颜色都受到同等程度的影响:接近蓝色端的光比红色光散射得更多。这就是天空是蓝色的原因——我们看到来自整个天空的散射光,这使其呈现天蓝色。太阳发出的紫色光不如蓝色光多,而且我们的眼睛对紫色不如对蓝色敏感,所以天空看起来不是紫色的,即使紫色比蓝色散射得更多。这个过程稍微改变了太阳的颜色。从太阳光中去除更多的蓝色光应该会使它看起来更黄一些。
此外,我们的大脑以相对的方式解释颜色。我们将一个物体的颜色与视野中的其他物体进行比较。如果天空看起来是蓝色的,这也可能使太阳看起来更黄。虽然我经常听到太阳是黄色的说法,但我并不认同。首先,如果太阳实际上是黄色的,那么白纸——它在所有颜色中都能很好地反射光——在阳光下也应该看起来是黄色的。但它看起来是白色的。
此外,很难直接盯着太阳来判断它的颜色。这是一件好事!来自太阳的红外线会损害我们的视网膜,因此进化鼓励我们不要盯着它看。当你不能看它时,很难说出它的颜色。在这一点上,我应该非常明确地说明,你永远不应该直接盯着太阳看。它会在你的视网膜上永久性地灼伤小点,因此这对你的视力非常危险。
我们唯一可以安全地在没有保护的情况下观看太阳的时间是当它非常接近地平线并被大气雾霾减弱时(即使这样,你也应该小心)。在日出或日落时,它往往会散射掉更多的蓝色和绿色光,所以它看起来确实是黄色、橙色甚至红色。这种模式也可能是人们倾向于认为它是黄色的原因。
至于那些声称太阳已经改变颜色的阴谋论者,它实际上并没有改变。天文学家会注意到这种事情,而且我们以在酷炫的天文现象发生时无法闭嘴而闻名。更可能的是他们只是记错了。
但这就是色彩的美妙之处。它确实存在于观看者的眼中。