关于科学,我最喜欢的一点就是一个非常简单的问题会把你带进兔子洞。给你一个问题:太阳是什么颜色的?
我敢打赌,大多数人会说黄色。当你刚刚想到它的时候,你可能在脑海中想象它是黄色的。
不久前,一个阴谋论在社交媒体上走红,一个人在推特上说,她记得自己年轻的时候太阳是黄色的,但现在是白色的。(她还声称,照片中它的形状很奇怪——这可能是由于照片曝光过度造成的。)什么颜色合适?被她看到的还是被她的相机拍到的?嗯,两个都不对,真的。但她的镜头更接近“真相”。
太阳是白色的。这取决于你对颜色的理解,颜色的作用方式,我们眼睛看到的方式,同样重要的是,我们看到的空气。
早在19世纪50年代,一项关于热力学的新研究——温度在某种程度上是如何影响物体行为的——就让物理学家们热得焦心。随着时间的推移,他们提出了“黑体”的概念,即一种完全吸收所有照射到它的辐射的物体。这样一个物体,在它周围没有任何辐射的情况下,将是完全冷的,根本不会辐射任何热量。但在有光的情况下,它会开始变暖,当它变暖时,它会以光的形式将热量重新辐射出去,并在整个光谱中发出光。根据物体的温度,这种光在特定的颜色上会有一个峰值亮度,在不同的波长上会变暗。这个想法产生了后来的黑体曲线,这是一个显示物体在不同温度下发出不同波长光的亮度的图表。
太阳是一团极热的气体(或者,更诗意地说,更准确地说,是一团炽热的等离子体),它的行为很像一个黑体。它与真正的黑体之间最大的区别在于其大气中氢和其他元素的存在,这些元素吸收非常窄的波长范围的光,从而在黑体曲线上产生间隙。
当我们利用地球大气层上方的卫星测量太阳的光谱(每个波长的亮度)时,我们发现它发射的光是穿过光谱的可见部分——也就是我们眼睛能看到的那种光。这不是巧合!人类进化到可以看到太阳发出最多光的地方。我们的恒星也会发出紫外线和红外光,尽管没有那么多。也许令人惊讶的是,太阳在光谱的蓝色和绿色部分是最亮的,而在红色部分则变暗。你可能天真地认为这意味着太阳是蓝色的!但显然不是。
这是因为我们看待事物的方式不同。最近我写了一篇关于我们眼睛里的细胞如何探测光线的文章。视锥细胞是专门检测颜色的细胞。有三种视锥细胞,分别称为L、M和S,它们分别被调谐为看到长波(朝向红端)、中波(黄色和绿色)和短波(蓝色)。这个过程很复杂——毕竟这是生物学——但当光线照射到这些视锥细胞时,它们会向大脑发送相应的信号,以反映光线在不同颜色下的强度。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视锥细胞没有被激活,你可能会看到更绿的色调,而L视锥细胞被强烈激活时,物体会向红色倾斜。如果进来的光在可见光谱中同样明亮,我们看到的就是白色。这就是太阳的作用,所以它看起来是白色的。
但事实并非如此。这个答案适用于阳光到达地球大气层之前的情况。例如,宇航员看到的太阳是白色的(并不是说他们直接看太阳,因为在太空工作时,视力通常被认为是一个很大的优势)。然而,当阳光穿过我们的空气时,其中一些被吸收或散射。并非所有颜色都受到同样的影响:朝向蓝色的光比朝向红色的光散射得更多。这就是为什么天空是蓝色的——我们看到来自天空各处的散射光,这使天空呈天蓝色。太阳发出的紫色光没有蓝色那么多,我们的眼睛对紫色也不那么敏感,所以天空看起来不是紫色的,尽管紫色比蓝色散射得更多。这个过程稍微改变了太阳的颜色。把太阳上的蓝光去掉,应该会让它看起来有点黄。
此外,我们的大脑以一种相对的方式解释颜色。我们在视野中将一个物体的颜色与其他物体的颜色进行比较。如果天空看起来是蓝色的,那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,但我不相信。首先,如果太阳实际上是黄色的,那么白纸在阳光下看起来也应该是黄色的,因为白纸能很好地反射各种颜色的光。但是它看起来是白色的。
而且,我们很难直接观察太阳来判断它的颜色。这是件好事!来自太阳的红外光会损害我们的视网膜,所以进化鼓励我们不要盯着它看。当你看不到某样东西的时候,很难分辨出它的颜色。在这一点上,我应该很清楚,你永远不应该直视太阳。它会永久灼伤你的视网膜上的小斑点,所以它对你的视力非常危险。
我们唯一可以在没有保护的情况下安全地看太阳的时候,就是太阳离地平线很低,被大气雾霾弄暗的时候(即使这样,你也应该小心)。在日出或日落时,它往往会有更多的蓝光和绿光散射出去,所以它看起来确实是黄色、橙色甚至红色的。这种模式也可能是人们倾向于认为它是黄色的原因。
至于那些声称太阳变了颜色的阴谋论者,其实并没有。这是天文学家会注意到的事情,当凉爽的天文现象发生时,我们无法保持沉默。他们更有可能只是记错了。
但这就是色彩之美。这真的是在旁观者的眼中。