第八讲 大气层的光照

↓1.早晨、中午与夜晚时的太阳。

↓2.在黑暗房间中的太阳光与灰尘。

↓3.空气，白天的散播者、直射光与漫射、在没有大气的情形下白天与天空的景象。

↓4.中午时候的星空、烧红的炭放在光天化日之下、大气层的亮幕遮住了我们的视线。

↓5.天空从来都不是空寂无物的、在日食时或是站在高山之巅时即使是白天也能看到星星。

↓6.烟囱和天文望远镜。

↓7.在夜晚时黑暗的天空实际上到处都布满光线、我们看不到它们。

↓8.无尽的白昼、处于太阳照射中的地球。

↓9.在黎明或黄昏时分由昏暗状态的持续时间推断出大气层厚度、空荡荡的深渊。

↓1.黎明的光线是清新的，它总是那么明亮、那么生机勃勃，将夜晚的黑暗与重重黑幕一并驱散，东方的天际镶上了一缕绛红与金黄。层层云彩互相簇拥着，这时一道光亮喷射出来，大地在突然出现的耀眼光芒面前颤动了，这就是从地平线上升起的太阳，它从神圣的光辉中升起，变得越来越热、越来越亮。它的光明先是洒到山峰上，然后从山峰再铺满平原，再从平原照进峡谷中，把清晨的雾霭驱散。峡谷中的雾气就像被无形的手推上邻近的斜坡，沿着它往上爬，在悬崖的边缘处散开，分成一块一块，最后在温暖的空气中消失不见。这个时候正是万物苏醒的快乐时刻，燕雀们在枝头鸣叫的时候；是挥舞着金色翅膀的金龟子们，躲在密密的山楂树丛中嗡嗡作响的时刻；是原先耷拉着脑袋的花朵们挺立起来、向着白天绽放笑容的时刻；这个时候，心灵这种神圣的花朵，在对大自然的思念中完全清醒过来，它向着大自然致意，而在伟大自然面前，太阳永恒地遨游在这无尽的太空中。

在正午时，太阳这颗至高无上的恒星抵达了它行程的最高点，抵达了天空中明朗寂静的最高点。在这个时候，太阳光芒四射，四周环绕着一圈光环。在这圈光环面前，熔化的金属所发出来的光都显得苍白无力。在万丈光芒的中心，这颗发亮的星体在持续不断地放射光亮。倘若眼睛投向这火球，只消一瞥，就马上看不见任何东西，它投下让眼睛难以忍受的光线，炽热得能灼烧我们的眼睑，它使树木都笼罩在它的影子下，像穿上了衣服一样，路边的沙子在它的照射下，就像破碎的镜片似的发出耀眼的光芒。层层的热浪从太阳上阵阵袭来，垂直涌向大地，大地都似乎要被它烤熟了，光线逼人，穿过我们的身体，似乎要榨干我们血管里的最后一滴血。正午的太阳是多么壮丽啊！在橄榄树上，知了在快乐的鸣叫，壁虎停在狗窝前，绿色的腹部一鼓一鼓，不停地喘息着。太阳虽然晒黑了我们的脸，但也使得农作物成熟，它让我们去赞叹它，因为它是万物之父，为了看到它，杨树将枝叶伸向高空，为了看到它，苔藓从悬崖的缝隙中钻出来。

傍晚到来了。太阳这颗火红的圆轮掠过层层的云团，开始下落，穿过像着了火一样的西边天空，向着地平线降落下去。夕阳像绛红的腰带一样斜照在水面上。太阳到达天际，对我们来说太阳落山了，但在另一个半球太阳正在升起；太阳隐入最远处的山中，它正在消失，它已经消失了。明天我们会看到一个新的太阳！它像今天一样耀眼！它从来没有熄灭过，从来没有消亡过，否则今天就是世界末日了。

↓2.为了白天能够到来，太阳的耀眼光辉必须有个中介。毫无疑问，太阳这颗恒星是一切光明之源；但仅仅只有太阳，它并不能产生我们所说的白天。这是下面我们要论述的。我让你们首先回忆一下，太阳的光线，它能穿过昏暗密闭的房间里百叶窗的缝隙。你们都知道，一道光线会形成一条光束。在这条光束中，会有许多灰尘小颗粒悬浮在空气中，它们自由浮动并且发出光亮。倘若我们活动一下，使得更多的灰尘小颗粒涌动起来，那么这条光束就会变得更加明亮。相反，随着漂浮于空中的灰尘小颗粒逐渐静止下来，这束光也会变得越来越暗。因此，太阳的光束在传递的过程中，它遇到的灰尘颗粒的多少影响着这束光的明亮度。虽然我们知道这些颗粒并不是发光的原因。当我们处于黑暗的角落，即光线不能到达的地方时，这些灰尘能够让我们看到光亮。如果没有这些灰尘，我们就看不到这些光束。每一粒灰尘，当它接触到光线时，就会发光，成为一个发光的亮点。它像一面小镜子一样，向我们传播照射在它身上的光亮。如果在一束光传播的路径中，没有灰尘颗粒，那么当我们处于阴暗角落来观察这束光时，不能说我们就完全看不到这束光，而是它会变得非常微弱。严格来说，如果光束的传播路径中没有任何东西，一点也没有，那么我们就完全看不见这束光。但是，总是会有一些物质，总是会有一些空气，会在光线传播的路径中出现。从我们所处的观察角度来看，空气可以被看做是最最精细的灰尘颗粒。当不存在颗粒更大的物质时，正是空气使得我们能够看到太阳的光束。那么，当所有的颗粒，甚至是空气都没有的时候，我们不要从侧面去看，而是正面对着光线，那么仍然可以看到它。因此，我们能够感知到光，只有两种情况：当它进入我们眼睛时，或是当我们看到某种被它照亮的物质时。

↓3.在地球的周围，环绕着一圈大气的海洋，那就是大气层。它在白天的时候颜色比较淡，呈现为一个蓝色的穹顶。这个厚厚气团上的每一部分，都被太阳照耀着，就像我们所看到的光束中的灰尘一样闪闪发光。它将照在它身上的光线散发开来，通过折射传递给我们。这样，这些光不仅仅是直接从光源即太阳到达这里的，而是从整个天顶均匀地洒向我们的。我们将这种大气层散发的光叫做漫射光，而将从太阳直接照射下来而不经过中介的光称为直射光。当我们在房间里，当我们处于阴影中，或是当天空布满乌云时，我们是被大气层光线即漫射光照亮的。在太阳下，我们就是被直射光照耀着的。因此，在白天，空气是阳光的主要散播者。只要是空气能够到达的地方，空气就会将太阳的折射光以漫射光的形式带到那里。这些大气层中的折射光经过了多次反射，于是就把大气层给照亮了。在没有空气的地方，只有在太阳光的直射下才会有白天。在没有漫射光的时候，所有不能直接接收到太阳光、或是接收到地面反射光的地方，都处于完全的黑暗之中。在这种情形下，光明与黑暗的分界线是非常清晰的。这边是白天、那边是黑夜，或者这边是黑夜、那边是白天，不会有白天逐渐过渡到黑夜或是由黑夜过渡到白天的变化。在这种情形下，往前走一步，或是往后走一步，我们就进入光亮之中或是阴暗之中。在这种情形下，在凌晨，没有任何准备动作，白天的光明就紧接着夜晚的黑暗到来了，第一道光明会突然地从东方迸射出来。在这种情形下，在夜晚的时候，当太阳从地平线上消失在天际时，黑暗就随之而来，这就像在一个关着的房间里突然把灯吹灭一样。在这种情形下，我们住的房子，除了面向太阳的一面，其他朝向的面即使在在正午时，也会漆黑一片。房子中阴暗的地方，也不再是半明半暗，而是完全黑暗的。地上的物体，当它们不再被明亮的空气所笼罩着时，那么在它们的发亮部分与不发亮的部分会有一道清晰的分界线，就像处于黑白幻灯中变幻不定、黑白分明。在这种情形下，天空不再是蔚蓝色，而会变成厚重的漆黑色。在墨黑而单调的背景中，太阳发着光，但不再光芒四射。无论是中午还是午夜，我们都能看到星星挂在天上。

↓4.在正午能够看到星星，那么，一整天星星都挂在天空中了？是的，确切来说，是大气在白天的漫射光妨碍了我们看到星星。对于这个问题，我们在下文中做一些解释是非常有必要的。

从火炉中火拿出一块火红的炭，在黑暗的地方观察这块炭，那么，我们看到它会发出红的光芒。可是如果我们把它放到光天化日之下来看，它就不会那么又红又亮了，它似乎冷却了。倘若没有人提醒你它的温度很高，但是你用手指碰一下就会知道它很烫。我们再把它放到黑暗的地方，在那里，它似乎又重新恢复了生气，又重新变得炽热，它又跟以前一样地发红发亮了。但当我们重新又把它放到光天化日之下，它似乎又暗下去了。我们用一根蜡烛的火焰来做实验，观察到的结果也是一样的：在黑暗处，它能发出光亮；而在阳光下，则几乎看不到它的亮度。毫无疑问，无论是在太阳底下还是在阴影之中，通红的炭与燃烧的蜡烛，它们的亮度并没有改变。在太阳底下，它们的亮度似乎会变弱，以致我们看不到它们在发光，这是由于我们的眼睛受到太阳光的极强刺激，就不再感受到炭与蜡烛相对微弱的光线了。视觉就跟其他的感觉能力一样，当它受到另外一种更强有力的视觉刺激时，那么对一些微弱的刺激就不再有明显的反应了。

当然，在白天时，大气层被太阳照射而发亮，而星星要把它们发出的光传递给我们，就必须得通过发亮的大气层。根据我们以前的实验，我们马上就知道会发生什么样的事情。由于发亮的大气层笼罩着我们，而星星发出的光相对而言非常微弱，大气层就把星光掩盖了，这样我们就看不见星星发出的光了。但是当我们周围的那一部分大气层由于没受到太阳的照射而变得昏暗时，我们马上就可以看到星星了。通过大气层来看，我们看到：在夜晚的时候，星星的光比大气海洋的光要亮；而在白天，星星的光比大气海洋的光要暗。虽然星星一直在天空中，但我们并不是总能看到它们，它们总是周期性地出现与消隐。

↓5.天空从来都不会是空寂无物的。如果在太阳出现时，天空是一片荒寂，那是因为大气层的散射光亮把其他发光体都掩盖住了。要看到白天的星星，看到这些在白天仍在天空中悬挂着的星星，我们只要通过某种方式，使我们不再看到非常明亮的大气层的光亮就行了。过一个很长的周期，我们就会看到有月食的现象发生，也就是说，当不发光的月亮位于我们和太阳之间时，就会把太阳照过来的光都挡住，就像用手挡住了灯光一样。这时，在天幕的后面，位于我们上方的那块大气层，它暂时不能受到太阳光线的照射，这样，这个区域的大气层就暂时不再发亮。而那些本来不会在白天出现的群星，就像在深夜中那样地出现了。当月亮从那个地方往前移动，不再把它的阴影投给我们的时候，这些星群就再一次消失不见了。

在其他假想的情形下，也即在我们的愿望可以实现的情形下，我们也可以看到星星与太阳一起出现在天空中的壮丽景色。我们在前文中已经学到，布满漫射光的厚厚大气层，使得我们在大白天不能看到星星。因此当我们到最高的大气层中，还是至少有可能看到最明亮的星星的，因为随着大气层变得稀薄，我们肉眼所看到的大气团的亮度也会降低，到达一定的高度，天空变得非常阴暗，已经不能像在低处那样遮住星星的光芒了。其实我们已经知道，在最高的山脉的峰顶上，我们看到的天空是深蓝色的，几乎接近于黑色，在这样一片深色的天空背景下，在白天也能看到星星，当然并不是全部星星，而是亮度超过那些剩余的大气层的亮度的闪亮的星星。如果观察者能够穿过大气层的最后的边界，那么就能看到所有的星星，甚至那些发出微弱光芒的星星，但这是不可能的。其实，只要我们转到太阳的背面，就能在白天的时候看到星星在黑暗的天空中闪闪发光，就像附着在黑纱上耀眼星点。

↓6.在白天，我们向天空放眼望去，天空如此明亮，我们是不可能看到星星的。限制一下我们的视力，让我们的眼睛只看到一小部分在通常的状态下能看到的大气光，那么星光就能穿过大气层的光，我们就能看到星星。据说，实际上也有可能，通过壁炉的烟囱管道或者从井底去观察天空，一些目光敏锐的人就能在狭窄的特定的天空区域中，辨别出一些星星。

要限制我们的视域，使我们的视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远镜。这一工具有两个优点：首先，它有一个长筒，功能与井或烟囱一样，它将我们的视力严格限制在天空的某一狭小区域内；其次，运用它的光镜能够将星星的光线集中起来，并增强它们的亮度。使用天文望远镜，在一天中的任何时刻观察星星，白天，中午，晚上，无论什么时候，我们都能在天空中看到星星，而且像夜晚一样多，但和夜晚看到的不太一样。我们的论证结束了。如果白天在天空中见不到星星，那是由大气层的照耀造成的。实际上，白天的星星和夜晚一样亮。地球一刻不停地绕着地轴自转，随着它的转动，新的星星相继在东方的地平线上升起，逐渐上升，最后坠落于西方的地平线。每隔24个小时循环一次，次序保持不变。

↓7.在深夜中，我们举头望向天空，除了星星之外，我们在那么高的地方能看到什么？——什么都看不到，天空中的所有东西都像墨一样漆黑。但是，如果我说，即使在这个时候，漆黑一片的天空仍然是处于光亮之中的，在这可怕的黑暗太空中，大量的太阳光线仍在其中散播着，那么，你们会相信我吗？如果我说，即使在漆黑一片的夜晚，太阳仍在太空中、在那片我们什么也看不见的高空，发射着像白天一样明亮的光线，你们会相信吗？你们不会相信我，在你们看来，这是不可能的。好的，下面我就来证明这一点。

我在前文中已经跟你们说过，地球仿佛一粒沙子，它被一个遥远的火红炮弹照亮着并灼得发热。太阳就是这颗炮弹，它向四面八方发散着它的光和热。地球就处于它的光辉之中，接收到有限的光和热，它就像一片草叶一样，在暴雨中接收到一滴滴雨水。那么，太阳发散出来的其余光线照到哪里去了呢？它们照到这里、照到那里，让其他的世界也生机勃勃。它们发散到空荡荡的太空里、发散到无止境的空间中。地球被太阳的光芒笼罩着，它遨游在太阳不断散发出的光海之中。

如图36所示，地球浸没在光海之中。面对太阳的半球A是白天，另一半球则是夜晚。处于黑暗半球上某点B的观察者，他沿着BC、BD、BK等射线望向天空。在他所望去的所有这些方向中，他的视线都要穿过那布满光线的空间，那里是太阳发射出光线的地方，然而在他看来却是漆黑一片。在太阳的光芒中，他却只能看到黑暗。这是为什么呢？我们想一想在前文中所学到的东西，只有光线直接进入我们的眼睛，或者当光线通过照亮一种物质而传播给我们，我们才能看到光亮。所以如果在天空中没有任何物质，那么穿过这些空间的光线，对于我们来说，就像不存在一样。即使光线源源不断地从我们的头顶上经过，但是由于在它传播的路径上没有照亮任何可以将光反射给我们的物质，所以它虽然穿过了空间，却并没有被我们所看到，这就像一束阳光穿过了一个黑暗的房间，当它在传播的路径上没有很多悬浮的灰尘时，这束阳光就很微弱。如果这个房间里连空气都没有的话，我们就不能看到这束光。

图36

↓8.我们试着从相反的方面来想象一下：假如有一种物质围绕在地球周围，并且还扩展到了无尽的太空中。那么，我们在BC、BD、BK等视线上，就会遇到一些中介微粒，它们能将光反射给我们，就像黑暗的房间中的灰尘颗粒形成的光束那样。即使并没有太阳在天空中出现，在漆黑的夜晚，天空在我们看来也一直都散发出微弱的光亮。在这种情形下，天空就永远不会变黑。在被太阳照射的大白天之后，接着而来的是被天空的光所照亮的明亮黑夜。在地球的背面，确实有一个太阳光线所不能直射的阴暗部分。那么，这个阴暗部分是什么样的呢？这是一个影子，一粒沙子的影子。它是一个无关紧要的影子，它不能够在包围着地球的无尽光明中留下印迹。但是我们并没有见到过这种明亮的黑夜，到了一定时间，太阳落山后，天空就会变得漆黑一片。因此在大气之外，在离地面一定距离的地方，应该是没有任何中介包围着地球的。对此我们应该感到非常高兴，因为如果在地球大气层之外的空间被某种中介所占据，地球被一种非常轻盈的气体所包围，那么，由于这些物质会产生阻力，地球要想一直运动下去，就是不可能的了，慢慢地，地球的运动力会逐渐减少，最终有一天，地球会停下来，会停在轴上不再转动。因此，夜晚天空一片黑暗，这种景象以一种最显而易见的方式证明了，在地球大气层之外的周围，在天空中，是没有什么中介存在的。这尤其说明了，包围着地球的大气层并没有扩展到无限的空间中去。到达某个高度时，不论是高的地方，还是低的地方，都有可能不再有大气层了。也就是说，大气层的厚度与海洋的深度一样，都是有限的。

↓9.无疑地，大气层对于照亮地球起着重要作用。它使得白天逐渐地过渡到黑夜，也使黑夜逐渐地过渡到白天，而不是突然地发生变化。突然地变化的这种情形，只有在没有大气层的时候才会出现。在太阳没有从地平线上升起之前，它就先把它的光线传播到大气层了。这样，大气层就会发出光亮，并通过反射使得早晨变得亮起来，预示着白天的开端，我们把这段时间称为黎明或破晓。同样的，太阳落山之后，大气还会亮一段时间，使得地球处于薄暮之中，然后将我们逐渐地带入黑夜之中，我们称之为黄昏。

在图37中，地球被大气层包围着。如果太阳位于S的方向，那么第一道掠过地球的光就是BS，因此位于N点的观察者还不能接收到太阳光的照射。在没有空气的情况下，观察者就处于一片黑暗之中。但是，太阳的光线能够在BC区域的大气层中自由地散射开来，并照亮这一区域。这样，观察者就能够处于这片天空的漫射光之中。因此，这时观察者虽然看不见太阳，但对他而言，这里已经是白天。随着太阳越升越高，并逐渐接近地平线NC，被照亮的大气层的面积也会逐渐扩大，而被照亮的区域也从观察者上空的东边逐渐扩展到西边。当太阳处于NC的方向时，天空不再是拂晓的状态，而是开始了真正的白天。同样的，在黄昏时分太阳落山后，在地球相反的那侧也会出现同样的情形。太阳的光线不能照射到地面，但它仍然能照射到高空中的大气层，将白天的时间一直延长到太阳落到地平线以下足够低的地方为止，也就是说，太阳落山一小时后，白天才结束。

图37

天空中出现昏暗状态并持续一段时间，这种情形是由大气层造成的。如果大气层是无限的，那么黄昏就会接着黎明，而不再会有黑夜。也就是说，在没有太阳的情形下，天空总是会发出一定的光亮。从某个地方这种昏暗状态的持续时间长短，我们可以推断出该地大气层的厚度。实际上通过这种方法，几何学家告诉我们，在离地面七八十千米的高度，就不会再有任何物质了，也不会再有空气了。这是因为，在这么高的地方并没有太阳光反射给我们了。在离地七八十千米高处之外，就是空荡荡的深渊、无尽的空间，在那里，天空的运行机制不会遇到任何能够影响其白天和谐的阻挠。