问爱善: 为什么太阳光线不是平行的呢？

资深撰稿人Ethan Siegel

Sep 22, 2018, 10:00am

从一声爆炸开始

    宇宙就在那里, 等待着你去发现它。

当太阳在天空中可见时你看到阳光束 (或光线) 从它散发出来, 它们似乎散开并发散开来。但如果阳光束是平行的, 为什么会是这样呢？PIXABAY / FREE-PHOTOS

    阳光束是那些在我们的脑海和记忆中留下不可磨灭印记的自然景观之一。无论是透过一个云层滤过的阳光还是穿过森林中树木的, 光线几乎从未完美的平行。相反, 它们似乎会聚在一些遥远的点上, 似乎随它们接近地球的表面彼此散发开来一样。但是太阳离我们很远, 距离9300万英里 (1.5亿公里), 光线应该看起来是完全平行的。那为什么不呢？这就是 "在爱荷华州困惑的" 想知道的, 问:

    我理解太阳离地球真的很远, 所以光子击中地球的路径几乎是平行的。那么为什么当我看到由太阳产生照耀过不同云层密度的(我假设) "阳光束"时它们径向有它们在我们的天空中太阳的明显位置的起源点呢？

    我立刻就喜欢这个问题, 因为它拿一个几乎每个人都体验过的日常现象并问所有中最简单的问题: 为什么？

白天任何照射你的眼睛的光线是从太阳本身直接照射到你身上的和来自四面八方间接的、分散的阳光的组合。当你有一个阴影和阳光束的组合时, 直接的阳光巨大的突出。.PIXABAY / STUX

    阳光束本身------或 "阳光的光线"就像你可能会认为它们的一样------不总是可见的。如果你思考一个典型的整个天空似乎被照亮的晴天。没有任何阻挡太阳光线的东西, 它们就会好像它们是完全平行的一样撞击地球。与地球直径相比, 太阳是大而远的,直径是86.4万英里, 9300万英里远。无论你在地球上的什么地方, 你有可能看到来自太阳的所有光线刚好像从地球上看到的半度直径的源自于空间中的相同位置的。来自太阳的光, 至少就人类的眼睛看到的最远的, 来自一个单一的方向。

如果地球是完全平坦的, 那么太阳的光线将在正午时分在地球上的冬至地方 (顶部) 无论你身在何处投射出相同的阴影。但是, 如果地球的表面是弯曲的 (底部), 不同位置的阴影会在同一天投射出不同的阴影, 这取决于太阳射线击中物体的角度。通过测量地球表面两点之间的阴影角的差值, 第一次测量地球的大小成为可能。太阳是如此大和远离的事实需要它的光线是彼此平行的, 即使它们没有视觉上如此出现。E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

    不过, 你不需要直射阳光就能看到一切。地球的大气层大多是足够清晰到所有的阳光要么直接传播到地球的表面要么在所有方向上被分散。这后一种效果就是为什么在阴天浓云天你仍然能看到东西的，即使你看不到太阳, 整个世界仍然亮着的。大气层做一个伟大的驱散阳光用亮来填满周围的环境的工作。光一旦被大气层散射, 就会在各个方向上相等的散发。我们在地球上体验的是一个散射光以及直接来自天体源的光的结合如太阳。

即使你看着你自己的影子, 你的身体挡住了直射的阳光, 你仍然能看到细节、 颜色和光击中世界的你背后的阴影。这是分散开的阳光的影响。.DAVE SHAVER / FLICKR

    这也是为什么在一个阳光明媚的日子如果你看着你的影子, 阴影区域可能比其他的更暗但它仍然照亮的。如果你在白天看着自己的影子, 你仍然能观看地面上的一切, 不管它是在你的阴影中还是不是。同样地, 如果太阳落在云层后面, 你仍然能在云层遮挡阳光的地方看到一切。在晴朗的一天，只有一点点超过来自阳光直射的光的一半击中你，其余部分来自要么从地球上其他地方反射的要么重新辐射的光。无论你是在阳光下还是在阴影中, 世界在白天仍然被散开的光照亮。

日落或日出时, 太阳的位置清晰可见, 往往位于云层后面。当阳光从云层后面浮现出来时, 它们似乎散开了而不是汇合, 由于在地平线上的云层配置可能离你比向你流动的阳光光线更远。.PIXABAY / ANNEVAIS

    因此记住这一切, 让我们回到阳光现象上。为什么当太阳在云层后时你有时能看到阳光照耀在大地上呢？真的是因为云层密度不同还是云中有真的空洞呢？此外, 为什么阳光的光线有时看起来彼此是平行的, 而在其他时候它们看起来就像它们会聚回到太阳一样呢？

透过树木叶子照射的阳光有一定的像光束一样的形状, 但来自周围的散射光允许我们仍然来看到甚至最阴地放的特征和细节。.WIKIMEDIA COMMONS / REMI MATHIS

    你必须接受的第一件事是即使在没有直接阳光的情况下, 仍然会有间接的、分散的阳光从四面八方向你走来。对于那些经历过日全食的人来说, 你可能已经惊讶于甚至天变得更暗了看起来也不像是在晚上。世界仍然显示它的颜色，你仍然可以看到在四面八方的几英里，你可以看到在你身边的人和整个景观和天空的细节。每天都有散开的阳光并且很难避免。

这张在俄勒冈州马德拉斯看到的日全食的图片，不仅导致了太阳的一个壮观景象, 而且也造成了围绕着所有人总路径的地平线。即使在月球的阴影下,分散在30公里外的阳光到仍然照亮你的周围你能看到周围的细节和颜色的程度。.ROB KERR/AFP/GETTY IMAGES

     任何朝你 (或靠近你) 的直射阳光都必须出现在弥漫在你周围环境中的分散的阳光之上。直接的阳光比分散的阳光更明亮、更强大, 因此当云层或遮蔽光的视野构成你视野的大部分时, 它就会在背景上脱颖而出。阳光源自于云层缝隙或非常稀薄部分 (或树木或者其它任何不透明的任何东西)直接的阳光没有被有效地阻挡的地方。这种直接的光线似乎比周围的每个地方都更明亮, 但它只会当它正在针对一个阴的背景释放它的光束时给我们留下一个视觉上的印象。

如果天空是完全清晰的, 阳光束将无处不在, 因此毕竟不会显得令人印象深刻。但相对一个阴暗的背景, 阳光的光束作为照射在另一种暗淡的背景上的明亮的斑点突出的。PIXABAY / STUX

    阳光的明显形状能急剧的变化, 这取决于你相对于太阳的方向以及创造你所观察的视觉场景的云/树。你可能会怀疑云像棱镜或透镜一样发散或折射光束导致它们散开。但事实并非如此。云本身在各个方向相当均匀的吸收和重新发射光, 这就是为什么它们是不透明的。

    只有在云层不吸收大部分或全部光的地方你才能得到阳光效应。原来是这些射线实际上是我们能测量的最佳的真正的平行线,与太阳是非常遥远的一致。如果你发现了一些它们既不朝向你也不远离你但垂直于你的视线光线的, 你会观察到完全平行的阳光。

当阳光照射到你在横向角度观看的物体, 使太阳的起源点和终点在相等的距离上时, 射线的平行性质就变得真正明显了。EDHAT ONLINE MAGAZINE

    只有当太阳在你正在寻找的天空中可见时, 大多数的阳光才会向太阳汇合。阳光似乎汇聚在太阳的位置上, 原因是路径或铁轨似乎汇聚到一个消失点: 这些是从一个特定的角度来看真正的平行线,因为这些平行的光线恰好靠近你位于近端的位置 (而不是远端), 它们在接近你的时候总是出现在距离的汇合处。原因很简单: 太阳很远, 阳光的起源点 (从云层或树木) 比阳光的着陆点更远。

阳光或阳光的光线往往显得散开的, 但这仅仅是因为它们似乎到达的位置比它们似乎起源的为止更接近你。事实上, 它们都是来自太阳的平行光线。PIXABAY / WEBSI

    这可能并不总是明显的, 但这就是为什么光线采取如此熟悉的束的形状的。事实上, 更靠近你的这个光束实际上是的端光束的发散形状变得非常明显。

    你毕竟有一束光束的原因是因为环境阴影的透视, 我们的眼睛能够根据相对黑暗的周围背景来挑选出相对的太阳直射亮度。光线看起来有一个发散的形状的原因是因为透视, 而这些真正平行的光线比它们的一路回到云层底部的起源点更接近我们着陆。太阳的光线确实是平行的, 但是除非它们正在垂直来到你, 否则它们看起来不会是这样的。这就是简单的当你看到平行线从你身上退去时它们看起来像的。

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    我是一位博士、 物理学家、 作者和科学传播者, 在不同的大学里专业物理学和天文学。自2008年以来, 我为我的从一声爆炸开始博客赢得了无数的科学写作奖, 包括由博士生导师颁发的最佳科学博客奖.....

    天体物理学家和作者爱善西格尔是从一声爆炸开始的创始人和主要作家!他的书迁徙术和超越银河在任何售书的地方都可以买到。

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2018/09/22/ask-ethan-why-arent-rays-of-sunshine-parallel/#6519f0137f9a