2009年8月3日 星期一

觀天入門:月亮的大小

先找一小團十分接近的星星,你認為月亮可以掩蓋過它們;然後伸直手臂,手指捏著一美分(1 cent)的硬幣(或是當地最小的硬幣),比較月亮、那一小團星星以及硬幣三者之間的大小,記錄你的估計比實際大了多少。在不同的日子裡,觀察月亮在地平線附近時,你的估計比實際大了多少;詳細記錄包括:你目光與身體所呈現的角度、天空的條件、是否有遠方地表物體(樹木或房子)等,看看它們對你的估計是否有影響。

當又白又圓的月亮懸在夜空中的時候,幾乎每個人都會高估它的大小。此外,初昇的滿月在人們的感覺中更是龐大,這個月影幻象的原因很多,尚沒有很完整的解釋。要瞭解為什麼人們會在不同的情境下感覺月亮有不同的大小,你可以做幾個簡單實驗,再列舉出你的原因和解釋。

首先考慮皎白明月掛在天空的夜晚。有一個長久以來相當知名的實驗,就是伸直手臂,手指捏著一美分的硬幣,它可以輕易地遮蔽月亮。一美分硬幣直徑約0.75英吋,幾十年來未曾改變過尺寸。如果你沒有辦法取得一美分,可以選擇當地的最小直徑的錢幣。試試看,你會發現一美分硬幣還太大了!用白紙剪出數個更小的圓盤,找出剛好可以遮蔽月亮的圓盤直徑。

有沒有看過位於金牛座(Taurus)的昴宿星團(M45, Pleiades Cluster),主要的亮星連起來像一個小小的勺子,月亮幾乎剛好裝在勺子裡。在你的印象中是月亮或是昴宿較大?當它們都在天空時,再仔細觀察比較一下。還有位於獵戶座(Orion)的觜宿,也就是獵戶座的頭部三顆星(λ, φ, φ Orionis)所形成的三角形,當月亮和觜宿都在天空時比較滿月和觜宿的大小,以及弦月和觜宿的大小。

接下來測試所謂的月影幻像–因地形、地貌而使人們感覺月亮特別大。早在數千年前托勒密(Ptolemy)就提出了月影幻像,並提供了部份科學解釋。因為初昇的滿月可以和遠方的地表物體並排在一起比較大小,遠方的物體雖然看起來很小,可是我們知道它們實際上很大,所以無形中就把月亮也放大了。不過,近代著名的天文學家明納爾特(Minnaert)認為,如果你用一根管子來看初昇的滿月,這樣就可以排除地形、地貌的影響,但看起來仍然還是特別大。請你也試試看以管窺天!

明納爾特的理論是月影幻象是來自人們對天空的外形的感覺,由於朦朧的曙光或暮光、雲朵、以及遠方的地形、地貌等,人們感覺地平線附近的天空比較遠,頭頂上的天空比較近。例如:當你在周遭一片黑暗的荒郊野外觀看星星時,會不會感覺頭頂上的星星多到快要掉下來了呢?你的小硬幣可以輕易地遮蔽初昇的月亮和高掛的月亮,為什麼這個「不會改變大小」的月亮,在愈遠的天空反而愈大呢?

實踐檢驗真理!到底你印象中的月亮大小有多麼客觀?約集一群天文同好,各自做這個相同的實驗,比較大家的結果以及回答問題二。明納爾特建議一個方法來量化估計初昇的月亮感覺起來到底比高懸的月亮大多少:首先用白紙剪出各式大小的小圓盤備用,面對初昇的月亮,牢記在心它的大小,然後轉過身來,輪流拿起這一系統由小到大的紙圓盤,在黑暗的背景中比試,挑出一張與你心目中月亮大小相同的紙片,再回過身來比較紙片和真實月亮的大小。明納爾特的結論是,這個實驗顯示初昇的太陽或月亮比高懸的月亮或太陽大了2.5~3.5倍。

還有一個影響感覺的因素–天空的形狀。高斯(Gauss)認為目光的方向與身體所呈現的角度會影響人們對距離和大小的判斷能力,明納爾特支持高斯的論點。真如同他們所宣稱的,抬頭上望所看到的月亮看起來會比較小嗎?(不是躺在地上看著天頂,是仰著脖子向上看)。如果他們是對的,將你的身體向前仰,或是趴在草地上、陽台上、屋頂上,抬頭看著前方初昇的月亮,理論上月影幻像將失去效果,月亮看起來應該不會特別大,你覺得呢?

問題

一、除了錢幣之外,你能不能找到一種日常生活的物品可以在伸直手臂時遮蔽月亮?除了昴宿星團獵戶座的頭部(觜宿)外,還有什麼星團或一群星星與月亮差不多大?

二、以管窺天是否能排除地形、地貌的影響?月影幻像是否受到遠方地表物體、不同形式和數量的雲朵、曙光及暮光、以及你的目光和身體的角度所影響?

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