童話故事集之一

陽光的故事

陽光從哪裡來?會到哪裡去?

作者:中央大學太空科學所呂凌霄


小明到外婆家玩。外婆家有一大片的稻田。綠油油的。下午,小明跟著外婆,到屋外榕樹下納涼。小明抬頭望著藍藍的天,白白的雲,還有耀眼的陽光。小明忍不住問外婆,光從哪裡來?外婆告訴他,光打從太陽公公那邊來。小明還想再問,只見外婆已經閤上眼,睡著了。小明很乖,沒吵外婆,也乖乖閉上眼睛,試圖午睡。朦朧中,有一個細微的聲音在叫醒小明。小明睜眼一看,嚇了一跳,只見一個好小的小人,背上長了兩個像蜻蜓一般的翅膀,在小明眼前飛舞,手裡還握著一支晶瑩的指揮棒。小明揉揉眼睛,問他是誰。那個小人自我介紹,他是小精靈。他還問小明:「你不是想知道,光從哪裡來嗎?我帶你去問光子叔叔好不好?」小明說,他不可以到處亂跑,也不可以隨便和陌生人談話。小精靈說,就在旁邊的稻田邊,不會走太遠,而且光子叔叔個子很小,比小精靈還小,所以不會傷害小明的。於是小明就跟著小精靈去拜訪光子叔叔。到了稻田邊,
小精靈揮舞著那支晶瑩的棒子,小明發覺,眼前的世界整個慢下來了,好像是電影裡的慢動作。不久,眼前的飛蠅、隨風飄動的葉子,都變成靜止不動的畫面了。這時小明發現原來刺眼的陽光,竟然是由不斷飛舞的紅、綠、藍的光點所組成的。由於這些光點,飛舞得很快,三種顏色的光點混合在一起的效果,就成了白花花的陽光了。小明注意到,紅光點飛舞速度不如綠光點快,綠光點飛舞速度又不如藍光點快。小精靈提醒小明,那兒還有少數飛舞得更快的透明光點,那就是紫外光點,X光點。另外還有一些飛舞的比紅光還要慢的透明光點,那就是紅外光點和無線電波因為小明的眼睛對這些光點沒反應,所以看起來像是透明無色的光點。小明自己也注意到,原來幾乎一樣多的紅、綠、藍光點,一但打到稻葉上,好多紅光點和藍光點就被葉子吸去了,如果只有少數的紅光點與藍光點能逃過被葉子吸收的命運,被反射,那麼葉片上反射過來的光點,就會以綠光點為主,所以葉子看起來是綠色的。如果陽光太強,大量的紅、綠、藍的光點打在葉片上,只有少數的藍光點與紅光點被葉片吸收,那麼反射光點中紅、綠、藍的光點數目就不會相差太多,所以混合起來看,還是白光。小明心想,難怪稻子的葉子隨風擺動時,有時候會像鏡子一般反射白光,而不是反射綠光!接著,小明照著小精靈的吩咐,抓住一個由葉片上反射回來的綠光點,小精靈再用魔棒一揮,綠色光點就變成了一個衣冠楚楚的紳士。小明跟著小精靈,很有禮貌的叫了他一聲綠光叔叔,並且請教他陽光的光子究竟是從哪裡來的?綠光叔叔說,這事說來話長。於是小明和小精靈就乖乖坐下來,聽綠光叔叔講有關他祖先以及他族人的故事。

綠光叔叔說,他和他的兄弟們,都是他們祖先的分身。而他們的的祖先,大約是兩百多萬年以前,在太陽公公的核心區域出生的。小明吐了一吐舌頭,心想眼前這個綠光叔叔居然有將近兩百萬歲的年紀,真不知道他口中的太陽公公多少歲了?小精靈在他耳邊,輕聲的告訴他,太陽公公據說已經有四十九億歲了。綠光叔叔接著說,根據人類歷史上一位偉大的科學家愛因斯坦的發現,物質的質量與能量是可以互換的。因此綠光叔叔相信,因為太陽公公的核心區域,會產生核融合反應,他的祖先應該就是在核融合反應時,由物質的質量,轉換而成的。綠光叔叔說,他最早的始祖,是那些人類看不見的透明光點,具有很高的能量,飛舞得很快。他的始祖離開了發生核融合反應的太陽核心,進入了太陽的輻射層,在那裡,雖然不再有核融合反應發生,但是氣體的密度還是非常的高,溫度也高。他的始祖,一個不小心,闖入了一個氣體粒子的家裡,那家中的電子,從他始祖那裡搶去了一些能量,他的始祖,雖然拼命逃離這個氣體粒子的家,但是,沒走多遠,又誤入了另一個氣體粒子的家裡,於是又被那家裡的電子搶走一些能量。於是他的始祖,能量越來越小。而
那些被搶走的能量,被那些電子玩了一下,就不玩了,並且被隨便丟出來,成了始祖的分身後代。這些後代,命運和他們的祖先一樣,不斷的被電子抓去玩,又被丟出來。於是在太陽的輻射層裡,到處兜圈子。因此,由進入太陽的輻射層到離開,短短的半個太陽半徑左右的距離,平均一個光子,居然要花費兩百萬年左右的時間,才能逃脫出來。這些光子們一但逃出了太陽的輻射層,只要八分鐘的時間,就可以跑兩百個太陽半徑,到達地球。不過綠光叔叔說,在他們穿過太陽表面時,還是有一部分的光子會被太陽表面氣體粒子的電子吸收過去,用來作為離開原子核吸引力的本錢。於是隨著太陽表面氣體的「光化游離」,就會犧牲一些光子。不過太陽表面所發生的一些日磁暴與太陽閃焰,也會產生一些新的光子。另一方面,那些搶走光子能量的電子,在繞著太陽表面磁場打轉運動時,也會放出一些能量,也就是產生一些新的光子。總之綠光叔叔,就是隨著這些倖存的光子,以及新生的光子,千里迢迢,由太陽表面飛向無盡的太空。其中,非常非常少的一部分光子們,會被各個行星和他們的衛星攔劫下來。其中,綠光叔叔,就是遇到了地球,進入了地球的大氣層。小明心想,原來這些耀眼的陽光,是歷經千辛萬苦,才登陸地球的啊。

綠光叔叔清了一清喉嚨說,故事還沒完哪。原來當初一起進入大氣層的光子們,種類分布數量差異並不太大。可是在經過地球上方的大氣層時,大多數的X光叔叔以及一部分的紫外光叔叔,都被高層大氣(電離層)中的氣體粒子所吸收,作為最外層的電子逃離原子核吸引所須的能量。於是為了提供電離層氣體光化游離所須的能量,許多X光叔叔與紫外光叔叔就被犧牲了。接著,當剩下的光子通過臭氧層時,又有一些紫外光叔叔,被臭氧吸收掉了。這些被吸收搶走的能量,部分還是會被釋放出來,到了晚上,重新被釋放出來的光子,襯著夜空發出紫外光等光譜,就是「氣輝」。人類的科學家,可以藉著觀測氣輝中的波動現象,來了解高層大氣中重力波的傳播情形。總之,等到通過了臭氧層,剩下來的紫外光叔叔與X光叔叔,就所剩無幾了。接著,當這些倖存的光子們來到臭氧層下方的對流層頂時,有些光子兄弟們,不幸又撞到了濃密的白雲,於是被白雲頂反射回到無邊無際的外太空。綠光叔叔說到這裡,顯得很難過。綠光叔叔說,那些僥倖沒有被雲頂反射到外太空的光子,在進入對流層以後,還是有不少光子,會被大氣中的各種分子擄獲,把玩一陣,又被隨意丟出來,於是這些光子的前進路線就變亂了,所以被稱為散射。平均說來,藍光子被散射的機會最大,其次是綠光,再其次才是紅光。除了被大氣分子散射外,有些光子也因為不小心撞到大氣中的微小塵埃或懸浮微粒,而被反射或繞射。由於這些塵埃面的方向不一致,所以被反射的光子,前進方向也各不相同。如果是被懸浮微粒所繞射,則繞射出來的光子,更是會像一個新的點光源那樣,重新向四面八方傳播。所以這些反射與繞射過程,看起來好像是另一種散射過程。只是最容易被這種散射過程所散射的光子,倒並不一定是藍光了。總而言之,因為
有了第一種散射過程,所以天空看起來是藍色的。因為有了第二種散射過程,所以即使是在樹蔭下或者是屋內,陽光無法直射到的地方,在白天,也是明亮的。

綠光叔叔滔滔不絕的講,他自問自答的說,為什麼朝陽與夕陽是紅色的呢?這是因為白天的時候,太陽光穿過的大氣層比較薄,所以被散射掉的藍光比較少,因此白天的太陽看起來還是白色的。而早晨、黃昏時,穿過的大氣層比較厚,所以被散射的藍光比較多,綠光其次,因此晨、昏的太陽看起來就是紅色的了。小明這時想到,同樣的道理,白天的時候,被臭氧層吸收掉的紫外光,應該也比較少,難怪現在的陽光裡還是有一些透明的紫外光點與X光點。難怪媽媽叫我不要在白天的太陽下玩耍。一想到這裡,小明就向綠光叔叔道謝,謝謝綠光叔叔為他講故事,並說他想回到樹蔭底下,因為陽光下,紫外光點太多啦。這時,小精靈也說,今天玩得很高興,下次再來邀請小明去找水滴阿姨聊天,聽水滴阿姨講她祖先在彗星上的故事。接著小精靈就把魔棒一揮,彩色光點就不見了。還是一片,白花花的烈日陽光。小明被陽光照的睜不開眼睛,瞇起眼睛一看,原來太陽公公移動位置了,因此樹蔭也移動位置了。看來得換一個位置睡午覺啦。



圖一:太陽的內部結構
圖二:原子內,電子的能階轉換情形。
圖三:各種不同波長與頻率的光波,也就是電磁波,的分布情形。