首先，太陽在剛剛升起的時候，並沒有它升得很高的時候那麼熱、那麼亮。我們可以說，當它剛剛出現在地平線上時，我們還可以直接對著它看，但過一段時間之後，就沒有人敢直視它那光芒四射的光亮了。但是，太陽在每個時刻所散發出來的熱量與光線都是一樣的，這個熱源從未減緩消退過，也從未更加活躍過。亮度的不同是因為大氣層的中介作用。在正午時，太陽光線垂直穿過大氣層。在這個時候，它穿過的大氣層的厚度最薄；同時，由於這時的太陽光線在傳播過程中，只遇到了白天由於熱度而消散了霧氣的大氣層，因此這種情形下的太陽光線傳播到我們這裏時，它只被削弱了一點點熱度跟亮度，這時的空氣非常清新就證明了這一點。但是在早晨時，太陽光線要到達我們所在的地方，它要斜著穿過大氣層，也就是說它要穿過的大氣會比正午時要厚得多，同時，由於這些空氣挨著地面所以帶有很多霧氣，當這些光線到達時，被削弱得要比正午時多得多。所以，早晨的太陽光線就很微弱。我們可以通過圖38來理解這個證明：我們在圖38中看到，來自於正在升起的太陽所散發出來的光線，它要到達地球上的A點，就要順著SA的方向來穿過大氣層CA。由於CA靠近地面，所以它的霧氣要比大氣層BA的重很多。BA是太陽到達最高點時，它的光線所要穿過大氣層的厚度。

↓6.當光線從一種介質斜著進入另一種介質時，我們將光線方向的這種改變稱為光的折射。我之所以說斜著進入，是因為當光線沿著分開兩種介質的平面上的垂線傳播時，它的方向不會發生改變。因此，一道光線從空氣中進入水中，即它沿著垂線NB的方向進入水中，它就會繼續沿著BN′的方向傳播，並不會改變它原來的方向。這是一個很困難的問題。現在我們做幾個關於折射的實驗。

↓4.一座高山，孤零零地矗立在地平線上。我們非常容易對它跟我們之間的距離產生錯覺。我們認為幾個小時就能走到這座山前，但實際上花幾天的時間都可能不夠。為什麼會這樣呢？——這是因為，當我們眼睛望向這座山時，在我們的前面沒有任何其他景色來參考，沒有看到成排的丘陵，也沒有彎曲的小河……如果這些東西一個個擺在那裡，那麼我們就可以通過跟這些東西的比較，來估測出這座高山離我九_九_藏_書們的路程遠近。如果我們能夠看到一座座連綿起伏的山嶺，它們峰巒疊嶂，那麼，我們就能知道，在它們後面的這座高山離我們就更遠一些。

↓1.我們在上文中已經學到，大氣層在我們的頭頂上空形成了一個發光的穹頂，太陽的光亮從這裏灑向四方。經過重重反射之後，太陽的這些光線變成了漫射的光線。通過這種漫射，大氣層使我們處於白天之中，並且由於拂曉與黃昏，天空明亮的時間被延長了。此外，它還造成了一些非常明顯的影響，這就是我們在這一講中將要加以研究的。

正是由於這兩個原因，我們對於太陽才會有這樣的錯覺。太陽在地平線上的時候，由於受靠近地面的霧氣遮擋，它的亮度會降低。此外，在我們與天邊之間，能看到一些地面物體的遠景，在我們看來，太陽是在這些物體的後面出現的。相反，當太陽到達最高點時，它處於最亮的狀態，這時它在天空中的位置是最高的，我們的視線沒有任何參考點。因此，太陽在前一種情形下看上去，似乎比在後一種情形下離我們更遠。這些是我們對太陽的距離產生錯覺的原因，同時也是使得我們對太陽的大小產生了錯覺的原因。一個物體，錯覺在於它是處於實際離我們更遠的地方，但同時我們的視網膜上總是會對它產生相同大小的像，那麼我們會覺得這些物體更大一些。這是因為，儘管距離增加了，但是影像卻沒有變小，我們將原因歸結為是物體變大了。出於這個原因，處於地平線上太陽看上去離我們更遠，因此在我們看來它彷彿更大些。

↓3.不論是在東地平線，還是在西地平線，太陽呈現給我們的景象都是一樣的：這個圓盤似乎比它在正午天空最高處時的看上去更大。但是，如果我們用天文儀器來測量早晨、中午與傍晚時候的太陽，我們就會發現，它們的大小是一樣的。其實這是一個錯覺，它很容易被解釋清楚。太陽是離我們如此遙遠，根據它離我們之間的距離與它體積之間的關係，我們完全不能目測出它的大小。它是大呢，還是小呢？它離我們近呢，還是遠呢？對於這些問題，僅僅依靠我們的觀察，是不能知道答案的，要想知道太陽這樣一個巨大星體的大小，我們的眼睛太有限了。我們只能看到那個發光的圓盤掛在天空中。我們只能根據這個圓盤所發出的光芒以及在它前面的物體大小，來判斷它離我們近還是遠。

↓8.光線在從水中進入空氣中時，路線發生了改變，由此我們看到九_九_藏_書了實際上潛藏於不透明盆底部的硬幣。同樣的，由於大氣層的影響，太陽的光線在傳播中的方向也會發生改變，這使得我們在太陽實際升起之前與落山之後都能看到它。如圖42所示，我們從地球上的A點作一個理想的平面，使它與地球表面相切並穿過空間無限地延伸出去。這樣就使得地平線AH把天空分成兩個部分：可見的部分與不可見的部分。如果沒有大氣層，那麼處於這個理想平面之下的太陽，在A點的觀察者是不能看到它的，它會被地球的彎曲球面所遮住，這就像在我們的實驗中，硬幣被盆的邊緣所遮住一樣。只有在AH或AH以上的位置時，太陽才能被看到。正是由於大氣層的影響，太陽才會被更早地看到。我們還記得，越靠近地面的地方，大氣的密度越大，這是因為它被上方的大氣壓著。在海面上的大氣，它每升的重量是1.3克，而在最高處的大氣，它的重量幾乎等於零。從大氣層的最高處，到貼近地面的最低處，大氣的密度是遞減的。我們用一些同心圓來表示大氣密度的逐漸增加：最外面的那些大氣最輕，而貼近地面的那些大氣最重。

↓9.位於地平線下的太陽發射出來的一道光線，它沿著SB的方向傳播，如圖42所示，如果沒有大氣，這條光線的方向不會改變，它會一直沿著A點上邊的直線傳播，這樣我們也就不能看到太陽。但是，這道光線是從真空進入第一層大氣里的，也即它從沒有任何密度（由於真空中沒有任何物質）的介質進入到一個有一定密度的介質中。這樣，這條光線就會向著與大氣層垂直的垂線靠近，並沿著BC的方向傳播。在C點處，它就離開較輕的那層大氣，而進入較重的大氣，這使得它的傳播方向再一次發生改變，它會沿著CD方向傳播，變得更加靠近垂直線了。在D處，由於它進入了密度更大的大氣層，因此它的方向就會發生新的改變。在E處，也會發生同樣的情形。就這樣，光線由於大氣的密度增加而產生了上述一系列類似的折射，最後，光線就會沿著EA的方向到達觀察者。我們的眼睛卻並沒有看到光線這麼多次的改變方向，它就會在光線傳播的延長線上看到太陽，即在AES′的方向上看到太陽。因此，當太陽實際已經落到地平線以下時，由於大氣的這種折射作用，太陽看起來似乎還在地平線以上，也就是說，儘管這時地球的球面曲線遮住了太陽，但我們仍然可以看到它。

↓2.這裏涉及了另一個問題。光線也是有熱量的，當它垂直到達地面時，它的熱量被削弱得最少；而當它從側面到達時，它的熱量會由於傾斜而被削弱很多。我們拿起一塊石板、一塊木板、或是一塊紙塊，將它們靠近蠟燭的火苗。如果燭光是垂直照著這read.99csw.com些物體，那麼它們就會被照得很亮；但如果是斜著照的，那麼它們就會被照得暗一些。因此，我們暫且不考慮大氣層的效應，在圖38中，太陽光線S′A產生的熱量與光，要比與地面相切的光線SA更多一些。隨著太陽在天空中越升越高，太陽的能量越來越大。這是因為，它的光線到達我們的角度越來越垂直，所要穿越的大氣層的厚度越來越薄、所含霧氣越來越少。當太陽在正午時分到達最高點時，這是它最亮的時刻，自此之後，它的熱量逐漸削弱，直到它落到西方地平線。當它落到西方地平線，這時的情形是跟它在東方地平線時的情形是一樣的，但溫度與亮度被削弱得少一些，這是因為，經過了一整個熱的白天之後的大氣層，要比經過了一整個涼爽夜晚之後的大氣層更清透明亮一些。

光線只有在一種情形下才會沿著直線傳播：即我們所說的它處於同一個空間並穿過同樣的物質，即穿過同樣的介質。如果介質發生了改變，那麼光的傳播方向也會發生改變，而且是瞬時改變的。在圖39中，兩種不同的介質被平面MM′分開，比如說，在平面之上是空氣，在平面之下是水。一道光線AB穿過空氣到達水平面上的B點。在B點，光線不再沿著一開始傳播的方向傳播，它會突然改向，沿著BC的方向傳播，並與垂直於水平面的法線NN′構成角CBN′，這個角比原先的角ABN小一些。倘若光線從真空中進入空氣中，從水中進入玻璃中，也就是說從密度小的介質中進入到密度大的介質中，光線的方向都會發生類似的改變。我們一直會看到當光線進入密度大的介質時，它的方向總會改變，並向垂直線靠近。由此我們得出下面的第一條定律：當一道光線從密度小的介質進入密度大的介質時，它會改變原來的方向，向著垂直線靠近。

大氣折射的另一個影響，稍微改變了一下地平線上太陽的形狀，使得它看起來像一個在垂直方向上扁平的橢圓形。這是因為，大氣層中越是靠近地平線的點，它的折射作用越強，因此太陽的底部就會比它的頂部被大氣層折射得更高，由於上部與下部的位置偏離產生了不均衡，太陽看上去就呈橢圓形，隨著太陽逐漸升高，這種影響就會被逐漸減弱，最終人會感覺不到。滿月時的月亮也會出現同樣的情形。

由於大氣的折射而產生的這種偏離錯覺，在一天中的所有時間內都會對每一顆星星產生影響。越是靠近地平線的地方，觀察到的偏離就會越明顯，我們不會在星星實際位置上看到它，它看上去的位置比它在天空中的實際位置更高些。只有當星星經過天頂，處於垂直線延長線上時，我們才能在它實際所在的位置上看到它，因為這個時候，光線是垂直進入大氣層的。我在前文中已經講過，當光線是垂直地從一種介質進入另一種介質時，它的方向並不會發生改變。當然，天文學家在他們的研究中，已經考慮並排除了大氣層的折射所造成的這種偏離影響。這樣，就不會九_九_藏_書把星星在天空中的實際位置弄錯。

我們將一個邊壁不透明的盆，比如說一個陶盆，放在地上，在這個盆的底部放入一枚硬幣。然後你自己移動到一個位置，在這個位置上，你的視線剛好能夠沿著盆的邊緣看到這枚硬幣，從這個位置稍往後退，你就不能看到這枚硬幣了，也就是說硬幣被盆的邊擋住了。但是，如果這個時候有另外一個人往盆中倒滿了水，那麼通過這種神奇的魔術，硬幣就又能被你看到了，儘管硬幣的位置沒有改變，儘管它實際上還是被盆邊擋住了。魔術這個詞在這裏並不合適，我們不要這樣說，不過不管它了，我們說了也就說了。但是我們要在這裏插上一句：這是一個非常簡單的事實，這個事實是因為光線從水中進入空氣中發生偏離而造成的。

↓7.我們想像有一條直線AB，如圖40所示，它經過盆的邊緣與硬幣的邊緣，A點在盆底，B點在盆外，也就是說，直線AB就是未在盆中注入水之前，從盆外剛好能夠看到硬幣邊緣的那條直線，而其他處於直線AB下方的那些光線，就會被盆壁擋住。這樣，觀察者的眼睛如處於直線AB下部比如說O點的地方，就看不到硬幣了。我們在盆中注入水，那麼情形就會發生改變。比如說一道光線AC，在沒有注水的情形下，它會沿著直線CH傳播，並經過觀察者的上方；而在注水之後的情形下，它會從C點起沿著偏離垂線的方向，改變它的傳播路徑。這是因為，它是從密度大的介質進入密度小的介質之中，它會沿著CO的方向進入觀察者的眼睛，所以，觀察就能看到這枚硬幣。不過，觀察者這時看到的硬幣並不位於它實際所處的A點位置，而是處於CO的延長線上，即A′的位置。你們會這樣問我，既然彎曲的光線使我們看到了硬幣，那麼為什麼我們沒在硬幣實際所在的位置看到它呢？這是因為，在通常情形下，物體總是位於眼睛所接收到的光束的端點。所有的日常經驗都已經在我們的頭腦中留下這樣一個印象：我們認為，我們所看到的事物，都正好處於視線的端點。我們已經習慣這樣，視覺的教育也是這樣，因此光線在傳播中不管彎曲了一次、十次還是百次，我們的眼睛都注意不到這一點。我們總是在那個錯覺的點上看到物體，彷彿光線是從那個點沿著直線傳播過來的。

在離你們前面十步遠的地方，放一盞亮著的燈。倘若在燈與你們之間的空氣是非常透明的話，那麼燈所發出來的光線到達你們那裡時是非常亮的，在你們看來，燈離你們有十步遠。但是如果空氣是霧蒙蒙的，並且燈光被霧氣籠罩，是暗沉沉的，那麼這盞燈看上去似乎離你們就會遠一些。我們都已經注意到，在夜晚霧氣很重的時候，某個房間中九_九_藏_書所發出來的光，看上去似乎比實際上離我們的距離更遠一些，那麼這些錯誤的判斷是怎樣產生的呢？那是因為我們的大腦習慣於通過視覺的清晰度來判斷距離的遠近，會不自覺地將亮度的削弱與距離的增加聯繫起來，而實際上，亮度削弱也有可能是因為空氣的透明度不夠。

同樣的，下面我們來解釋一下，為什麼浸入水中的那截棍子似乎從進入點開始就變彎並且變短了。如圖41所示，從棍子浸入水中的一端發射出來的光線AC，當它離開水面時就會發生彎曲，偏離垂直線並沿著CO的方向傳播。由於光線的折射，我們的眼睛會誤以為棍子的一端位於光線的延長線的末端，即A′的位置。棍子浸入水中的那段AD部分，它上面的其他所有點，都會發生同樣的位置變化，因此在我們看來，棍子就會在D點變彎了。

我們假設在圖39中光線是從下面傳播到上面的，即是從水中進入到空氣中的。在水中時，光線沿著CB方向傳播，但當它進入到空氣中時，它會瞬間改變它的路線，它會離開垂直線，沿著BA方向傳播。當光線從玻璃進入水中，從空氣進入真空中，即從密度大的介質進入密度小的介質時，它的方向也會發生改變，它會遠離垂直線。由此我們總結出第二條定律：當一道光線從密度大的介質進入密度小的介質時，它會改變原來的方向，並且遠離垂直線。

↓5.大氣層所造成的錯覺比上文中所提到的原因所造成的錯覺更為明顯：在太陽實際升起來之前，我們已經能夠看到整個的太陽，而在實際落山之後，我們還是能夠看到整個的太陽。早上，當太陽的圓盤已升起來的時候，事實上，它的上緣僅僅剛擦過地平線。在傍晚，當我們看到太陽與天際線相接時，實際上它剛剛完全消失。大氣層把太陽移到我們的視線之外，也就是說，大氣層將太陽從地平線上升高了一段距離，這段距離跟太陽的直徑大小相等。對於其他的星體來說，情形也是一樣的。通過大氣層的簾幕，我們看到了這些星體，同時，大氣層也使得它們看上去比實際上的更高一些。這不僅僅發生在地平線上，而且在其他的區域也會出現同樣的景象，只不過當星體越來越接近天空頂部的時候，這種偏差就會越來越小。在天空頂部，我們看到的太陽位置跟它實際的位置是一致的。但是在其他時候，從表面上看太陽所在的位置，並不是它實際所在的位置。在下文中，我們研究一下發生這種奇怪的偏移的原因。