科学百科第21期丨太阳黑子为什么是黑的?

本期为大家带来：

《你知道吗——现代科学中的100个问题》

本书是阿西莫夫的优秀作品之一。
作者以通俗的语言，深入浅出地解释了现代科学中的一百个尖端课题。
其中，有些是了解现代科学技术所必须具备的基础知识，如科学的研究方法、二进制数、相对论、亚原子粒子、核聚变、熵、晶体、病毒等。有些则是当代科学技术的前沿阵地，如黑洞、统一场论、夸克、快子、金属氢等。
作者对这些问题的来龙去脉，它们目前处在什么样的状态、有没有希望得到解决等问题均作了回答。

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第二十一个问题：太阳黑子为什么是黑的呢？

如果太阳的表面温度是白热的，太阳黑子为什么又是黑的呢？如果黑子真是黑的，它们就该也是冷的。太阳上的东西怎么会是冷的呢？这个问题看来确实像是一个难题。事实上，在十九世纪初期，就有一位伟大的天文学家赫歇耳曾断言说，既然黑子是黑的，它们就必定是冷的。

为了解释这一点，他只能说，太阳并不是里里外外都很热。不错，它有一个白热的大气层，但在大气层的下面，则是太阳那冷的固体部分，人们可以透过太阳大气层的缝隙看到这个固体部分。这些缝隙就是我们所说的黑子。赫歇耳甚至认为，太阳内部的固体表面上冷到可以允许生物在那里生存。但是，这种看法是错误的。现在，我们很清楚地知道，太阳通体都是热的。事实上，我们看到的太阳表面是太阳上最冷的区域，但即使在那里，对生物来说，也肯定是太热了。辐射和温度是密切相关的。1894年，德国物理学家维恩研究了在不同温度下发射出来的各种光辐射。

他的结论是：在理想的情况中，在每个特定的温度下，每一个物体都会辐射出特定波长范围内的光，而与物体本身的化学组成无关。随着温度的升高，峰值辐射的波长会变得越来越短，对于任何物体都是如此。在摄氏六百度左右，就会有相当多的辐射进入可见光的频率范围，于是物体就会呈现暗红色。当温度再升高时，物体就变为鲜红色，然后变为橙红色、白色和蓝白色。如果温度足够高，辐射频率就会大部分位于紫外区，甚至比这还要高。仔细地测量了太阳峰值辐射的波长（它位于黄光区域内），我们就可以计算出太阳表面的温度，这个温度大约是6,000℃。太阳黑子并不处于这一温度上。它们比这个温度要低不少，我们认为，在黑子的中心部分，温度只有4,000℃。太阳黑子很可能是一团膨胀的巨大气体。

这种膨胀在太阳上造成了一定的温度降，正像电冰箱里的情形一样。要使一个巨大的黑子能抵御住从四下里温度更高的地方传递进来的热量，保持住数日或数周的低温，需要有一个巨大的热泵才行。不过，关于太阳黑子生成的机制，天文学家至今仍未找到完全满意的解释。即使是摄氏四千度，太阳黑子也应该很明亮。它应该比地球上的弧光灯还要亮许多，而弧光灯已是亮得不能用眼睛去直视它了。其实，太阳黑子也确实比弧光灯亮，这一点已经用仪器检测出来了。

问题出在这里：我们的眼睛是不能看出光的绝对强度的。我们在判断亮度时，靠的是与四周环境的比较。太阳表面上那些温度较高的正常区域的亮度，是黑子中心低温区域亮度的四至五倍，与前者相比，后者在人眼中就显得是黑的了。这种黑只是光学上的错觉。这一点有时在日蚀时可以看出来。

在太阳明亮的圆面上，掩蚀太阳的月亮朝向我们的一面的确是黑的。当月球的边缘掩过一个巨大的太阳黑子，使我们能在月亮的衬托下来观察黑子的“黑”时，我们就能够看出，黑子实际上并不黑。

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