「藍天」與「黑夜」背後的物理奧義

辰風
隨筆天下
Published in
Feb 25, 2023
童年時期常見的提問:天空為什麼是藍色的?雲朵為什麼是白色的?(筆者攝於台北市)

或許孩提時期的你也曾好奇過:天空為什麼是藍色的?在成長的過程中,「藍天」的概念逐漸被我們視為理所當然,從而不再回憶起這個問題。但今天這篇文章,我們將告訴大家「天空」背後的原理並不簡單,我們將深究其中的物理奧秘、解答這個埋藏在許多人回憶深處的疑問。

眺望著藍天白雲是一件療癒且解憂的事,從小到大,無論是美術課時的彩繪、語文課時授予的形容詞、抑或是我們親眼所見的景緻,天空總是藍色的、雲朵總是白色的;日出時分的天際、或者黃昏時分的晚霞,則往往是絢麗的紅色。但你曾想過——天空為什麼是藍色的?晚霞又為何是黃色、紅色、甚至紫色的?而夜晚抬頭仰望星空,為什麼又是一片漆黑?

值得注意的是,科學家在四百年前基本上便知曉了「彩虹」的成因,然而,「藍天」的成因是在19世紀才被證實;至於「黑夜之所以會黑」的原因,科學家們到近幾十年來才明確得出完善的解釋。為什麼黑夜比藍天整整晚了將近一個世紀被證實?以下將逐一為大家揭曉。

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天空為何是藍色的?

色散與虹彩

在開始回答這個問題之前,我們必須先瞭解幾個常見的光學現象——反射(reflection)、以及折射(refraction)。彩虹的成因便是反射與折射的結合:當陽光射入空中的水滴時,會經過折射、反射,回到我們的眼中。而在折射的過程中發生了「色散」(dispersion),這時我們必須引入另一個重點:入射的陽光是白色的。「顏色」的根本成因在於「波長」的不同——而光是電磁波,由於一束白光可以被視為不同顏色波段的疊加,反過來說,當白光進入特定介質被折射出去時,便可能被拆分成不同波長的波段、反射入我們眼中時即呈現為各種不同的顏色,這就是「色散」的原理。

當光線經由特定角度(約42度角)進入水滴,就像陽光進入三稜鏡般、會被分離出各種顏色的波段,形成我們所熟悉的「彩虹」。正因為需要特定角度的反射,所以彩虹一般而言不會在正午時分出現(因為正午陽光是直射)、且比較常在雨後出現(因為需要有水滴作為介質)。

彩虹的成因。(圖源:https://www.merit-times.com/NewsPage.aspx?unid=801732

彩虹形成的原理在數百年前的西方、甚至是中國唐宋時代便被佐證,17世紀時笛卡爾便算出了彩虹形成的角度、爾後牛頓則透過三稜鏡實驗證明了色散的現象。

漫射與雲層

接下來,讓我們介紹一下天空漫射(diffuse sky radiation),一言以蔽之,就是當陽光穿透大氣層時被各種分子、懸浮粒子散射。

現在請想像抬頭望見的天空佈滿微小的水滴分子,而陽光(白光)進入大氣層後、遂即被這一堆堆微小水滴以各種不同的角度反射至其他方向、有些則反射至你的眼中。理所當然地,在這畫面裡大概只有20%白色的陽光成功進入你的視線、其餘則被反射至其他方向。

因此,你現在畫面中的天空應當是白色的、或者甚至因為進入眼中的白光偏少而顯得有點灰暗——是的,前述那些小水滴,它們正是「雲層」——這個例子說明了為什麼「雲朵總是白色的」。若大氣中的水滴量更多、使得雲層夠厚,便會更少光線進入眼中,這也就是「烏雲」昏暗的原因。

陽光進入大氣層被空氣中的雲滴反射,使得我們所見的雲朵呈現白色或者灰色。(筆者攝於台北市)

瑞利散射

現在我們大致上瞭解了「白雲之所以為白」的原因。讓我們回歸主題 — — 天空為什麼是藍色的?

天空是藍色的原因與前述類似,無非是陽光進入大氣層後經歷反射、散射的過程,但由於陽光是白色的,並無法解釋天空何以是以迷人的藍色呈現於我們眼中。西元1871年起,瑞利男爵(Lord Rayleigh,他於1904年因發現「氬」(Ar)元素獲得諾貝爾物理學獎)發表了一系列論文,證明了天空呈現藍色的原理,該原理被稱為「瑞利散射」(Rayleigh scattering,又譯「雷利散射」)。

正午陽光進入大氣後與空氣分子發生瑞利散射(雷利散射),使得天空呈現鮮豔的藍色。(筆者攝於美國加州)

讓我們先來定義一下「散射」(scattering)這個名詞:當輻射或者粒子通過具有特定位能的區域時,會迫使原本的運動軌跡被改變。也許這麼解釋起來聽起來拗口,因此我們不妨想像一下:當太陽光進入大氣層後,會碰到空氣中各式各樣的分子,或許是水滴、或許是氣體分子、也或許是懸浮微粒(這些物體都具有特定的位能),隨後便會朝向其他不同方向「散射」而去。散射比較像是一個廣義的名詞,更強調的是介質(在這個例子中便是我們的大氣層)的「不均勻性」。簡言之,「反射」描述的是光線因接觸不同的介質而射回、「漫射」描述的是朝四面八方不同方向的反射現象、「散射」則更強調於光線路徑在微觀尺度下的「偏離」——這些詞彙相當類似,但卻不盡相同。

和普通散射不同的是,瑞利散射描述的對象是比水滴更微小的粒子(比如氣體分子),且闡明了光強度與波長的關聯性。由於雲朵是由雲滴這些空氣中的小水滴所形成,它們的半徑多半大於入射光的波長,因此,我們並不需要用到瑞利散射就可以解釋雲朵是白色的原因。現在,我們必須把前一小節「大氣中佈滿小水滴分子」的假設移除,當你腦海畫面中的天空是真正空無一物、只佈滿完全不可見的微小氣體分子時,瑞利散射便將派上用場。

電磁波譜描述了不同波長的波段,而我們人眼所能見到的皆為可見光,其中紅色波段最長、藍色與紫色波段最短。(圖源:維基百科)

瑞利散射告訴我們:

散射光的強度與入射光波長的四次方成反比。

換言之,當光線波長愈短,便愈有可能產生瑞利散射。那麼,波長和顏色有什麼樣的關聯呢?這時你可以參考上圖中的可見光譜,你會發現:紅光波長最長,再來是黃光、綠光,而藍光、紫光的波長則最短。也許你會問:太陽光不應該是白色的嗎?是的,但誠如我們早前提過的,白色的日光事實上是各種不同顏色波段的疊加。

因此,顯而易見的,由於藍光、紫光波長最短,當太陽光進入大氣層時,這些較短的波段最容易與大氣分子發生散射。當這些波段被散射後、便會瀰漫於天空,因此我們眼中所見的天空自然而然就會呈現這些顏色。

天空本應該是紫色的?

這時,聰明的你一定會發現一個疑點:我們提及了紫色光的波長最短,那麼,理應最容易被散射——但我們的天空為什麼並不是紫色的?

沒錯,紫光波長確實比藍光短,但這牽涉到了的不再是物理學的原理,而是生物學上「彩色視覺」形成的機制。我們之所以能辨識各種不同的顏色,是因為光線與視網膜上「視錐細胞」產生交互作用。如果把人眼對光線辨色的敏感度繪製出一張曲線圖,我們會發現人眼對於黃、綠最敏感,對於藍色其次,對於紫色則最不敏感。

因此,在短波長的區塊中,人眼對於藍色的敏感度相較於紫色略勝一籌,因此眼中所見的天空依然會是藍色的。

左圖:瑞利散射說明了短波長的藍光與紫光最容易發生散射現象;右圖:人眼對於色彩的敏感度,藍色略勝紫色一籌,因此觀測到的天空依然是藍色、而非紫色的。(圖源:https://www.merit-times.com/NewsPage.aspx?unid=789233

日出、日落、與傍晚的天空

既然天空是藍色的,那麼,日出、日落時分的天空為什麼是呈現橙色、甚至紅色的?

這其實也可以透過瑞利散射來解釋:在前一小節的假設中,我們假定的情況是日正當中的白天,那時的太陽光基本上是直射進入大氣層、大部分的藍色光被散射後基本上便直接進入我們的眼中。但如果是日出、或者黃昏時分,太陽已然移至我們視線正前方、接近地平線處,這時,穿過大氣層的陽光需要較長路徑才能抵達我們的眼中。就在這過程中,大部分藍色的光都已經被散射、只剩下波長較長的橙色與紅色光線會抵達。夕陽周遭、或者雲朵也會將這些光反射至我們眼中,因此,彩霞往往是橙色、粉紅、或者紅色的。

在黎明或者日暮時分,太陽在地平線準備升起或者落下,這段時間太陽附近的光線是呈現紅色與黃色的,頭頂的天空則是藍黑色,這便是瑞利散射的傑作:陽光因為不同角度與遠近進入大氣層、從而呈現出美麗的漸層色調。

由上述介紹我們也可以知道,大氣層扮演著散射的要角,如果沒有大氣層,瑞利散射便不會發生、天空也就不會有繽紛的色彩。太空人登月時背景皆是黑色的太空,無論白天與黑夜,那便是因為月球缺少了大氣層的存在。

日出或者日落時分的天空,太陽在視線正前方而非直射,因此經由散射抵達眼中的是波長較長的橙光與紅光,使得太陽周遭呈現黃橙色。(筆者攝於美國佛羅里達)
向晚時分的天空:日落所在之處的天色呈現波長較長的橙紅色,美麗的漸層對應於瑞利散射的光譜。(筆者攝於美國紐澤西州)

夜空為什麼是黑色的?

恆星與沙粒

也許這個問題聽起來有點荒謬,你一定會回答:太陽沉入地平線後,自然而然就沒有光線了,夜晚當然就是黑色的,只剩下月光和星點。

其實這麼回答也沒有錯,因此,且讓我們重新組織一下這個問句——既然夜空中充滿星點,為什麼依然是黑色的?或者更進一步——充滿著無數星星的太空,為什麼總是一片漆黑?

夜空總是漆黑的,肉眼可見的星星數量遠小於實際值。(筆者攝於美國佛羅里達)

早在古希臘時代,這個問題早就被討論過。隨著科技日新月異,人們對於太空的觀測設備日漸新穎,我們發現宇宙中的星系比想像中來得多更多。目前天文學家推測,宇宙中至少有兩兆(2,000,000,000,000)個星系,且每個星系「平均」至少有一億顆(100,000,000)恆星,光是我們的銀河系就有一千億顆至四千億顆(100,000,000,000–400,000,000,000)恆星。加總起來,科學家估計可觀測宇宙中至少有10²²至10²⁴顆恆星。

這個數字究竟有多大?將地表上每一個沙漠、海灘的沙粒加總起來,科學家估計有7.5 × 10¹⁸顆沙粒,而宇宙中恆星的數量則高於地表沙粒總數四至六個數量級——換句話說,正所謂「一沙一世界」,如果你指尖的「一顆沙粒」相當於10,000至1,000,000個恆星的集合體,得要將全世界所有沙粒加總起來、才能對應宇宙中恆星的總數量!

並且,這裡所指的恆星並不包含地球、火星、木星這種行星,每一顆被納入計算的都是像太陽一樣的恆星。試著想像一下:你抬頭所望見的夜空中,實際上囊括了比世界上所有沙粒總數還多數萬至百萬倍、和太陽一樣巨大且耀眼的星體,但為什麼——即使站在月球眺望太空深處——宇宙仍然一片漆黑、寂靜?

即使從月球表面望向太空,依舊是無止盡的漆黑。(圖源:NASA官網 https://moon.nasa.gov/resources/187/apollo-11-mission-image-view-of-moon-limb-with-earth-on-the-horizon/

奧伯斯悖論

西元1820年代,天文學家開始正視這個問題,提出了「奧伯斯悖論」(Olbers’ Paradox)。是的——這個看似簡單、宛若童言童語的問題,竟然困惑著天文學家,甚至為此提出了一個「悖論」。這個悖論的提出有幾個先決條件:首先,人們假定宇宙是無限大的;其次,假設星星是均勻分布的;再者,宇宙是「穩態」的,即使宇宙有在擴張、長遠來看依然如同穩定且靜止的。

如果宇宙中的星體是均勻分布的,即使愈遙遠恆星會顯得更暗,但由於愈遙遠的恆星數量會更多(想像太空是由一層層沾滿星子的球殼所包覆,我們位在中心向外觀測),因此,按理來說每一層恆星加總起來的亮度是不相上下的,夜空也應當被均勻照亮。

就好像我們站在森林外處看過去一樣,一層層枝葉由近而遠相互交疊,即使看不見樹林最深處那排樹木,我們依然可以看出整片森林是深綠色的。同理,宇宙中星星數量如此繁多,按理來說我們所見的夜空應該也是一片光亮、耀眼奪目的,就像成千上萬顆太陽填滿夜空一樣。

但事實卻不然 — — 夜空比想像中的更為漆黑;即使是到外太空,依然是一望無際的黑暗。

奧伯斯悖論:穩態宇宙中的夜空充滿著無數恆星,理應是無限明亮的——然而事實卻不然,我們所見的夜空是一片漆黑。(圖源:維基百科)

1848年,美國詩人愛倫·坡(Allan Poe)在一首小詩中提及了這麼一句:

「夜空星芒遙遠,它們從未抵達。」(“supposing the distance of the invisible background so immense that no ray from it has yet been able to reach us at all.”)

這句話看似詩情畫意,實際上卻誤打誤撞給了奧伯斯悖論其中一個合理的解釋:縱使宇宙的空間無限大,由於宇宙年齡是有限的、光速也是有限的,當我們眺望夜空,遙遠的星光在有生之年也無法抵達地球進入我們的眼中;換言之,我們所看到的星點其實都是數百、數萬、甚至數十億年前的樣貌,觀測星空相當於觀測歷史。

即使貌似合理,但這套說詞區區出自於詩人的作品集,並無法被追求嚴謹的科學家們所接受;況且,當時科學家尚未能證明宇宙的年齡與狀態,因此奧伯斯悖論依然被視為無解。

20世紀的解答

隨著物理學家對於宇宙模型的建構,愈來愈多人相信宇宙是動態的、並且不斷在擴張。1929年,愛德溫·哈伯(Edwin Hubble)透過實驗觀測發現「星系正不斷遠離我們」,且距離愈遠的星系遠離速度似乎愈快;1931年,喬治·勒梅特(Georges Lemaître)提出了宇宙起源於一個「原子一般大小的點」這套假說。

上述提到的「哈伯定律」(Hubble’s law)可以說是當代天文學最重要的發現之一,它證明了「宇宙正在膨脹」的事實;結合勒梅特的理論,說明了宇宙起源於一個「點」,而這正是當今宇宙學「大霹靂(Big Bang,或譯大爆炸)理論」的雛形。哈伯利用紅移(redshift)效應發現遠方的星系正加速遠離我們,其原理大致如下:由於宇宙正在擴張,愈遙遠的星系發射出的光線會愈接近光譜紅色的那一端,由於哈伯發現了遠方星系的紅移現象、從而推導出星系退行的速度,這也就證實了宇宙正不斷在膨脹。

星系紅移效應:遙遠星系的光譜總是往紅色一端偏移。(圖源:https://www.merit-times.com/NewsPage.aspx?unid=635707

由於愈遙遠的星系紅移的效應愈顯著,降低了觀測的亮度,因此遙遠的星光肉眼是不可見的。那麼,宇宙誕生、大霹靂時期的光源,我們為何無法觀測得到?這是因為,距離愈遙遠的光來自於宇宙愈早期的星系,推算至宇宙大霹靂初期的光源,它們紅移的尺度已經超越了可見光譜、到達紅外線、甚至微波的波段——想當然爾,我們肉眼無法見到微波,自然也就無法用眼睛觀測到宇宙大霹靂初期的輻射。如果你熟悉天文學,那麼,你一定聽過所謂的「宇宙微波背景輻射」(CMB),它象徵著宇宙誕生之後的「第一道光」、也是現今物理學家能「觀測」到的最早期宇宙樣貌,而這也成為了大霹靂理論最有力的證據之一,於1964年才被發現。從宇宙微波背景中,我們也能發現太初宇宙的輻射是不均勻的,而這也意味著現今宇宙中的星系、星體並非想像中那樣均勻分布。

綜上所述,我們終於可以歸納奧伯斯悖論的最佳解答:

  1. 宇宙年齡有限:我們宇宙大約138億年歷史,光傳遞到我們眼中的速度也是有上限的(每秒300,000公里),因此,遙遠的星光尚未能抵達我們眼中。
  2. 宇宙正在膨脹:愈遙遠的星光會發生光譜紅移效應,當波長拉伸到一定程度後,便成為了紅外線,我們也自然無法透過肉眼觀測到過於遙遠的星系。

此外,宇宙膨脹的事實也限制了可觀測宇宙大小,說明了我們能「觀測到」的宇宙是有限的,因為在此之外的光線無法抵達我們眼中。近幾十年來,科學家更發現宇宙不僅正在膨脹、而且是「加速膨脹」,這意味著真實宇宙的大小可能比我們想像中大得許多(注意:目前為止我們都將宇宙稱之為「可觀測宇宙」——這只是我們能觀測到的宇宙,並非真實的宇宙尺寸)。哈伯定律與紅移效應同時也告訴了我們另一個有趣的事實:即使用肉眼(可見光)很難看見遙遠的星光,但若我們用紅外線、微波或者其他波段來觀測時,便會發現太空中確實滿佈著點點繁星。

宇宙微波背景輻射的發現,是大霹靂理論重要的證據。此圖描述了早期宇宙的輻射分佈,意味著宇宙並非均勻的。(圖源:https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2013/03/Planck_CMB

因此,「天空是藍的」這僅僅是個光學問題;然而,「夜空是黑的」這則涉及更深奧的宇宙學問題。人類在150年前便證明天空是藍色的,卻在將近一個世紀後、大霹靂理論與宇宙微波背景相繼被證實時,科學家才更確立星夜總是黑色的真正原因。

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