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第八講 大氣層的光照

第八講 大氣層的光照

↓8.無盡的白晝、處於太陽照射中的地球。
我在前文中已經跟你們說過,地球彷彿一粒沙子,它被一個遙遠的火紅炮彈照亮著並灼得發熱。太陽就是這顆炮彈,它向四面八方發散著它的光和熱。地球就處於它的光輝之中,接收到有限的光和熱,它就像一片草葉一樣,在暴雨中接收到一滴滴雨水。那麼,太陽發散出來的其餘光線照到哪裡去了呢?它們照到這裏、照到那裡,讓其他的世界也生機勃勃。它們發散到空蕩蕩的太空里、發散到無止境的空間中。地球被太陽的光芒籠罩著,它遨遊在太陽不斷散發出的光海之中。
↓3.在地球的周圍,環繞著一圈大氣的海洋,那就是大氣層。它在白天的時候顏色比較淡,呈現為一個藍色的穹頂。這個厚厚氣團上的每一部分,都被太陽照耀著,就像我們所看到的光束中的灰塵一樣閃閃發光。它將照在它身上的光線散發開來,通過折射傳遞給我們。這樣,這些光不僅僅是直接從光源即太陽到達這裏的,而是從整個天頂均勻地灑向我們的。我們將這種大氣層散發的光叫做漫射光,而將從太陽直接照射下來而不經過中介的光稱為直射光。當我們在房間里,當我們處於陰影中,或是當天空布滿烏雲時,我們是被大氣層光線即漫射光照亮的。在太陽下,我們就是被直射光照耀著的。因此,在白天,空氣是陽光的主要散播者。只要是空氣能夠到達的地方,空氣就會將太陽的折射光以漫射光的形式帶到那裡。這些大氣層中的折射光經過了多次反射,於是就把大氣層給照亮了。在沒有空氣的地方,只有在太陽光的直射下才會有白天。在沒有漫射光的時候,所有不能直接接收到太陽光、或是接收到地面反射光的地方,都處於完全的黑暗之中。在這種情形下,光明與黑暗的分界線是非常清晰的。這邊是白天、那邊是黑夜,或者這邊是黑夜、那邊是白天,不會有白天逐漸過渡到黑夜或是由黑夜過渡到白天的變化。在這種情形下,往前走一步,或是往後走一步,我們就進入光亮之中或是陰暗之中。在這種情形下,在凌晨,沒有任何準備動作,白天的光明就緊接著夜晚的黑暗到來了,第一道光明會突然地從東方迸射出來。在這種情形下,在夜晚的時候,當太陽從地平線上消失在天際時,黑暗就隨之而來,這就像在一個關著的房間里突然把燈吹滅一樣。在這種情形下,我們住的房子,除了面向太陽的一面,其他朝向的面即使在在正午時,也會漆黑一片。房子中陰暗的地方,也不再是半明半暗,而是完全黑暗的。地上的物體,當它們不再被明亮的空氣所籠罩著時,那麼在它們的發亮部分與不發亮的部分會有一道清晰的分界線,就像處於黑白幻燈中變幻不定、黑白分明。在這種情形下,天空不再是蔚藍色,而會變成厚重的漆黑色。在墨黑而單調的背景中,太陽發著光,但不再光芒四射。無論是中午還是午夜,我們都能看到星星掛在天上。
↓7.在深夜中,我們舉頭望向天空,除了星星之外,我們在那麼高的地方能看到什麼?——什麼都看不到,天空中的所有東西都像墨一樣漆黑。但是,如果我說,即使在這個時候,漆黑一片的天空仍然是處於光亮之中的,在這可怕的黑暗太空中,大量的太陽光線仍在其中散播著,那麼,你們會相信我九九藏書嗎?如果我說,即使在漆黑一片的夜晚,太陽仍在太空中、在那片我們什麼也看不見的高空,發射著像白天一樣明亮的光線,你們會相信嗎?你們不會相信我,在你們看來,這是不可能的。好的,下面我就來證明這一點。
↓1.黎明的光線是清新的,它總是那麼明亮、那麼生機勃勃,將夜晚的黑暗與重重黑幕一併驅散,東方的天際鑲上了一縷絳紅與金黃。層層雲彩互相簇擁著,這時一道光亮噴射出來,大地在突然出現的耀眼光芒面前顫動了,這就是從地平線上升起的太陽,它從神聖的光輝中升起,變得越來越熱、越來越亮。它的光明先是灑到山峰上,然後從山峰再鋪滿平原,再從平原照進峽谷中,把清晨的霧靄驅散。峽谷中的霧氣就像被無形的手推上鄰近的斜坡,沿著它往上爬,在懸崖的邊緣處散開,分成一塊一塊,最後在溫暖的空氣中消失不見。這個時候正是萬物蘇醒的快樂時刻,燕雀們在枝頭鳴叫的時候;是揮舞著金色翅膀的金龜子們,躲在密密的山楂樹叢中嗡嗡作響的時刻;是原先耷拉著腦袋的花朵們挺立起來、向著白天綻放笑容的時刻;這個時候,心靈這種神聖的花朵,在對大自然的思念中完全清醒過來,它向著大自然致意,而在偉大自然面前,太陽永恆地遨遊在這無盡的太空中。
↓8.我們試著從相反的方面來想象一下:假如有一種物質圍繞在地球周圍,並且還擴展到了無盡的太空中。那麼,我們在BC、BD、BK等視線上,就會遇到一些中介微粒,它們能將光反射給我們,就像黑暗的房間中的灰塵顆粒形成的光束那樣。即使並沒有太陽在天空中出現,在漆黑的夜晚,天空在我們看來也一直都散發出微弱的光亮。在這種情形下,天空就永遠不會變黑。在被太陽照射的大白天之後,接著而來的是被天空的光所照亮的明亮黑夜。在地球的背面,確實有一個太陽光線所不能直射的陰暗部分。那麼,這個陰暗部分是什麼樣的呢?這是一個影子,一粒沙子的影子。它是一個無關緊要的影子,它不能夠在包圍著地球的無盡光明中留下印跡。但是我們並沒有見到過這種明亮的黑夜,到了一定時間,太陽落山後,天空就會變得漆黑一片。因此在大氣之外,在離地面一定距離的地方,應該是沒有任何中介包圍著地球的。對此我們應該感到非常高興,因為如果在地球大氣層之外的空間被某種中介所佔據,地球被一種非常輕盈的氣體所包圍,那麼,由於這些物質會產生阻力,地球要想一直運動下去,就是不可能的了,慢慢地,地球的運動力會逐漸減少,最終有一天,地球會停下來,會停在軸上不再轉動。因此,夜晚天空一片黑暗,這種景象以一種最顯而易見的方式證明了,在地球大氣層之外的周圍,在天空中,是沒有什麼中介存在的。這尤其說明了,包圍著地球的大氣層並沒有擴展到無限的空間中去。到達某個高度時,不論是高的地方,還是低的地方,都有可能不再有大氣層了。也就是說,大氣層的厚度與海洋的深度一樣,都是有限的。
天空中出現昏暗狀態並持續一段時間,這種情形是由大氣層造成的。如果大氣層是無限的,那麼黃昏就會接著黎明,而不再會有黑夜。也就是說,在沒有太陽的情形下,天空總是會發出一定的光亮。從某個地方這種昏暗狀九_九_藏_書態的持續時間長短,我們可以推斷出該地大氣層的厚度。實際上通過這種方法,幾何學家告訴我們,在離地面七八十千米的高度,就不會再有任何物質了,也不會再有空氣了。這是因為,在這麼高的地方並沒有太陽光反射給我們了。在離地七八十千米高處之外,就是空蕩蕩的深淵、無盡的空間,在那裡,天空的運行機制不會遇到任何能夠影響其白天和諧的阻撓。
↓3.空氣,白天的散播者、直射光與漫射、在沒有大氣的情形下白天與天空的景象。
當然,在白天時,大氣層被太陽照射而發亮,而星星要把它們發出的光傳遞給我們,就必須得通過發亮的大氣層。根據我們以前的實驗,我們馬上就知道會發生什麼樣的事情。由於發亮的大氣層籠罩著我們,而星星發出的光相對而言非常微弱,大氣層就把星光掩蓋了,這樣我們就看不見星星發出的光了。但是當我們周圍的那一部分大氣層由於沒受到太陽的照射而變得昏暗時,我們馬上就可以看到星星了。通過大氣層來看,我們看到:在夜晚的時候,星星的光比大氣海洋的光要亮;而在白天,星星的光比大氣海洋的光要暗。雖然星星一直在天空中,但我們並不是總能看到它們,它們總是周期性地出現與消隱。
↓7.在夜晚時黑暗的天空實際上到處都布滿光線、我們看不到它們。
傍晚到來了。太陽這顆火紅的圓輪掠過層層的雲團,開始下落,穿過像著了火一樣的西邊天空,向著地平線降落下去。夕陽像絳紅的腰帶一樣斜照在水面上。太陽到達天際,對我們來說太陽落山了,但在另一個半球太陽正在升起;太陽隱入最遠處的山中,它正在消失,它已經消失了。明天我們會看到一個新的太陽!它像今天一樣耀眼!它從來沒有熄滅過,從來沒有消亡過,否則今天就是世界末日了。
↓4.在正午能夠看到星星,那麼,一整天星星都掛在天空中了?是的,確切來說,是大氣在白天的漫射光妨礙了我們看到星星。對於這個問題,我們在下文中做一些解釋是非常有必要的。
↓9.無疑地,大氣層對於照亮地球起著重要作用。它使得白天逐漸地過渡到黑夜,也使黑夜逐漸地過渡到白天,而不是突然地發生變化。突然地變化的這種情形,只有在沒有大氣層的時候才會出現。在太陽沒有從地平線上升起之前,它就先把它的光線傳播到大氣層了。這樣,大氣層就會發出光亮,並通過反射使得早晨變得亮起來,預示著白天的開端,我們把這段時間稱為黎明或破曉。同樣的,太陽落山之後,大氣還會亮一段時間,使得地球處於薄暮之中,然後將我們逐漸地帶入黑夜之中,我們稱之為黃昏。
↓5.天空從來都不會是空寂無物的。如果在太陽出現時,天空是一片荒寂,那是因為大氣層的散射光亮把其他發光體都掩蓋住了。要看到白天的星星,看到這些在白天仍在天空中懸挂著的星星,我們只要通過某種方式,使我們不再看到非常明亮的大氣層的光亮就行了。過一個很長的周期,我們就會看到有月食的現象發生,也就是說,當不發光的月亮位於我們和太陽之間時,就會把太陽照過來的光都擋住,就像用手擋住了燈光一樣。這時,在天幕的後面,位於我們上方的那塊大氣層read.99csw.com,它暫時不能受到太陽光線的照射,這樣,這個區域的大氣層就暫時不再發亮。而那些本來不會在白天出現的群星,就像在深夜中那樣地出現了。當月亮從那個地方往前移動,不再把它的陰影投給我們的時候,這些星群就再一次消失不見了。
↓5.天空從來都不是空寂無物的、在日食時或是站在高山之巔時即使是白天也能看到星星。

圖36
如圖36所示,地球浸沒在光海之中。面對太陽的半球A是白天,另一半球則是夜晚。處於黑暗半球上某點B的觀察者,他沿著BC、BD、BK等射線望向天空。在他所望去的所有這些方向中,他的視線都要穿過那布滿光線的空間,那裡是太陽發射出光線的地方,然而在他看來卻是漆黑一片。在太陽的光芒中,他卻只能看到黑暗。這是為什麼呢?我們想一想在前文中所學到的東西,只有光線直接進入我們的眼睛,或者當光線通過照亮一種物質而傳播給我們,我們才能看到光亮。所以如果在天空中沒有任何物質,那麼穿過這些空間的光線,對於我們來說,就像不存在一樣。即使光線源源不斷地從我們的頭頂上經過,但是由於在它傳播的路徑上沒有照亮任何可以將光反射給我們的物質,所以它雖然穿過了空間,卻並沒有被我們所看到,這就像一束陽光穿過了一個黑暗的房間,當它在傳播的路徑上沒有很多懸浮的灰塵時,這束陽光就很微弱。如果這個房間里連空氣都沒有的話,我們就不能看到這束光。
從火爐中火拿出一塊火紅的炭,在黑暗的地方觀察這塊炭,那麼,我們看到它會發出紅的光芒。可是如果我們把它放到光天化日之下來看,它就不會那麼又紅又亮了,它似乎冷卻了。倘若沒有人提醒你它的溫度很高,但是你用手指碰一下就會知道它很燙。我們再把它放到黑暗的地方,在那裡,它似乎又重新恢復了生氣,又重新變得熾熱,它又跟以前一樣地發紅髮亮了。但當我們重新又把它放到光天化日之下,它似乎又暗下去了。我們用一根蠟燭的火焰來做實驗,觀察到的結果也是一樣的:在黑暗處,它能發出光亮;而在陽光下,則幾乎看不到它的亮度。毫無疑問,無論是在太陽底下還是在陰影之中,通紅的炭與燃燒的蠟燭,它們的亮度並沒有改變。在太陽底下,它們的亮度似乎會變弱,以致我們看不到它們在發光,這是由於我們的眼睛受到太陽光的極強刺|激,就不再感受到炭與蠟燭相對微弱的光線了。視覺就跟其他的感覺能力一樣,當它受到另外一種更強有力的視覺刺|激時,那麼對一些微弱的刺|激就不再有明顯的反應了。
↓6.煙囪和天文望遠鏡。
↓2.為了白天能夠到來,太陽的耀眼光輝必須有個中介。毫無疑問,太陽這顆恆星是一切光明之源;但僅僅只有太陽,它並不能產生我們所說的白天。這是下面我們要論述的。我讓你們首先回憶一下,太陽的光線,它能穿過昏暗密閉的房間里百葉窗的縫隙。你們都知道,一道光線會形成一條光束。在這條光束中,會有許多read•99csw.com灰塵小顆粒懸浮在空氣中,它們自由浮動並且發出光亮。倘若我們活動一下,使得更多的灰塵小顆粒涌動起來,那麼這條光束就會變得更加明亮。相反,隨著漂浮於空中的灰塵小顆粒逐漸靜止下來,這束光也會變得越來越暗。因此,太陽的光束在傳遞的過程中,它遇到的灰塵顆粒的多少影響著這束光的明亮度。雖然我們知道這些顆粒並不是發光的原因。當我們處於黑暗的角落,即光線不能到達的地方時,這些灰塵能夠讓我們看到光亮。如果沒有這些灰塵,我們就看不到這些光束。每一粒灰塵,當它接觸到光線時,就會發光,成為一個發光的亮點。它像一面小鏡子一樣,向我們傳播照射在它身上的光亮。如果在一束光傳播的路徑中,沒有灰塵顆粒,那麼當我們處於陰暗角落來觀察這束光時,不能說我們就完全看不到這束光,而是它會變得非常微弱。嚴格來說,如果光束的傳播路徑中沒有任何東西,一點也沒有,那麼我們就完全看不見這束光。但是,總是會有一些物質,總是會有一些空氣,會在光線傳播的路徑中出現。從我們所處的觀察角度來看,空氣可以被看做是最最精細的灰塵顆粒。當不存在顆粒更大的物質時,正是空氣使得我們能夠看到太陽的光束。那麼,當所有的顆粒,甚至是空氣都沒有的時候,我們不要從側面去看,而是正面對著光線,那麼仍然可以看到它。因此,我們能夠感知到光,只有兩種情況:當它進入我們眼睛時,或是當我們看到某種被它照亮的物質時。
在正午時,太陽這顆至高無上的恆星抵達了它行程的最高點,抵達了天空中明朗寂靜的最高點。在這個時候,太陽光芒四射,四周環繞著一圈光環。在這圈光環面前,熔化的金屬所發出來的光都顯得蒼白無力。在萬丈光芒的中心,這顆發亮的星體在持續不斷地放射光亮。倘若眼睛投向這火球,只消一瞥,就馬上看不見任何東西,它投下讓眼睛難以忍受的光線,熾熱得能灼燒我們的眼瞼,它使樹木都籠罩在它的影子下,像穿上了衣服一樣,路邊的沙子在它的照射下,就像破碎的鏡片似的發出耀眼的光芒。層層的熱浪從太陽上陣陣襲來,垂直湧向大地,大地都似乎要被它烤熟了,光線逼人,穿過我們的身體,似乎要榨乾我們血管里的最後一滴血。正午的太陽是多麼壯麗啊!在橄欖樹上,知了在快樂的鳴叫,壁虎停在狗窩前,綠色的腹部一鼓一鼓,不停地喘息著。太陽雖然晒黑了我們的臉,但也使得農作物成熟,它讓我們去讚歎它,因為它是萬物之父,為了看到它,楊樹將枝葉伸向高空,為了看到它,苔蘚從懸崖的縫隙中鑽出來。
↓4.中午時候的星空、燒紅的炭放在光天化日之下、大氣層的亮幕遮住了我們的視線。
在其他假想的情形下,也即在我們的願望可以實現的情形下,我們也可以看到星星與太陽一起出現在天空中的壯麗景色。我們在前文中已經學到,布滿漫射光的厚厚大氣層,使得我們在大白天不能看到星星。因此當我們到最高的大氣層中,還是至少有可能看到最明亮的星星的,因為隨著大氣層變得稀薄,我們肉眼所看到的大氣團的亮度也會降低,到達一定的高度,天空變得非常陰暗,已經不能像在低處那樣遮住星星的光芒了。其實我們已經知道,在最高的山脈的峰頂上,我們看到的天九九藏書空是深藍色的,幾乎接近於黑色,在這樣一片深色的天空背景下,在白天也能看到星星,當然並不是全部星星,而是亮度超過那些剩餘的大氣層的亮度的閃亮的星星。如果觀察者能夠穿過大氣層的最後的邊界,那麼就能看到所有的星星,甚至那些發出微弱光芒的星星,但這是不可能的。其實,只要我們轉到太陽的背面,就能在白天的時候看到星星在黑暗的天空中閃閃發光,就像附著在黑紗上耀眼星點。
↓6.在白天,我們向天空放眼望去,天空如此明亮,我們是不可能看到星星的。限制一下我們的視力,讓我們的眼睛只看到一小部分在通常的狀態下能看到的大氣光,那麼星光就能穿過大氣層的光,我們就能看到星星。據說,實際上也有可能,通過壁爐的煙囪管道或者從井底去觀察天空,一些目光敏銳的人就能在狹窄的特定的天空區域中,辨別出一些星星。
要限制我們的視域,使我們的視力不被那些外在的耀眼的光芒所分散,最好的方法就是使用天文望遠鏡。這一工具有兩個優點:首先,它有一個長筒,功能與井或煙囪一樣,它將我們的視力嚴格限制在天空的某一狹小區域內;其次,運用它的光鏡能夠將星星的光線集中起來,並增強它們的亮度。使用天文望遠鏡,在一天中的任何時刻觀察星星,白天,中午,晚上,無論什麼時候,我們都能在天空中看到星星,而且像夜晚一樣多,但和夜晚看到的不太一樣。我們的論證結束了。如果白天在天空中見不到星星,那是由大氣層的照耀造成的。實際上,白天的星星和夜晚一樣亮。地球一刻不停地繞著地軸自轉,隨著它的轉動,新的星星相繼在東方的地平線上升起,逐漸上升,最後墜落於西方的地平線。每隔24個小時循環一次,次序保持不變。
↓2.在黑暗房間中的太陽光與灰塵。
在圖37中,地球被大氣層包圍著。如果太陽位於S的方向,那麼第一道掠過地球的光就是BS,因此位於N點的觀察者還不能接收到太陽光的照射。在沒有空氣的情況下,觀察者就處於一片黑暗之中。但是,太陽的光線能夠在BC區域的大氣層中自由地散射開來,並照亮這一區域。這樣,觀察者就能夠處於這片天空的漫射光之中。因此,這時觀察者雖然看不見太陽,但對他而言,這裏已經是白天。隨著太陽越升越高,並逐漸接近地平線NC,被照亮的大氣層的面積也會逐漸擴大,而被照亮的區域也從觀察者上空的東邊逐漸擴展到西邊。當太陽處於NC的方向時,天空不再是拂曉的狀態,而是開始了真正的白天。同樣的,在黃昏時分太陽落山後,在地球相反的那側也會出現同樣的情形。太陽的光線不能照射到地面,但它仍然能照射到高空中的大氣層,將白天的時間一直延長到太陽落到地平線以下足夠低的地方為止,也就是說,太陽落山一小時后,白天才結束。

圖37
↓1.早晨、中午與夜晚時的太陽。
↓9.在黎明或黃昏時分由昏暗狀態的持續時間推斷出大氣層厚度、空蕩蕩的深淵。