為什麼白天沒有星星晚上才有信息

⑴ 為什麼在夜晚會看到漫天星辰，而白天卻沒有星星

我們經常可以看到，一些天文愛好者在互聯網論壇上提問「為什麼星星在白天不發光呢？」這種問題。如果僅僅回復「因為白天有太陽啊，小笨蛋」那可是遠遠不夠的。我自己也常常想，到底該如何解釋這個看似顯而易見的現象呢。我從哲學家托馬斯·庫恩（Thomas Kuhn）那裡學到，若是想科學的解釋它，我就必須打破固有的思維慣性，以一種全新的角度看待這個問題。人類眼睛與彩色CCD相機的故事我曾經在SAA論壇上提出過與彩色CCD相機有關的問題，科學家約翰·布萊克韋爾（John A. Blackwell）後來就此問題回復了我。他從非常專業的角度闡釋了這種彩色相機的原理，我也正是在讀過他的評論之後，才恍然發現信號/雜訊這些相關概念與我們所接收到的天體（無論是恆星還是任意天體）圖像息息相關。這是一個頗為復雜的理論，為方便讀者理解，我在這里簡作描述，不多加贅余。簡言之，人類在白天觀察星星的能力與眼睛的靈敏度以及觀察者環境中存在的雜散光有關。強烈的太陽光就像是天空的背景噪音，而人類的眼睛彷彿是一個處理大氣中散射光的「過濾器」。那麼如何用專業術語把人眼觀察星體的能力與信噪比聯系起來呢？下面是我的解釋。
從個人角度入手，我曾經是一個專業攝影師，可以熟練地使用圖像處理技術來改善一些黑白和彩色照片（包括天文照片）的質量，我的老師常常跟我說：「請你更正一下這個片子的色彩平衡，弱化一下它的結構銳度，在這個』高光區域』中突出一下細節，……這些我可都懂！最後我學會了如何使用模糊蒙版等技巧來實現這些目標。但是現在情況發生了變化，我現在成了一名計算機科學家，雖然我依然對天文攝影很感興趣，但是現在的問題需要更多充滿技術含量的解決辦法。我們不厭其煩地利用計算機，圖像放大器，CCD檢測器等等，並不斷嘗試減少圖像的「量化缺陷」，以便獲得色彩均勻、飽和度高且雜色最少的良好圖像。總之，這是一個真正的挑戰！我在這里討論CCD是因為我們可以相對容易地把它與人眼的結構進行比較。你現在已經知道了它們倆都可以檢測到光，並且能夠連續不斷地處理離散的模擬信號。 CCD檢測器將光子轉換為數字形式（電子被轉換為二進制數字）之後，我們可以輕松地在計算機上對其進行操作，因為這兩個系統「說」的是相同的語言。為了搞清楚到底為什麼只有在夜空中我們才能看到星星，我把人眼與像CCD這樣的電子探測器進行了比較，得到了一些很有意思的結果。解釋如下正如CCD相機一樣，我們的眼睛靈敏程度不僅取決於眼球本身的結構特徵，還取決於我們的大腦（對於CCD相機來說是它的圖像採集軟體）如何處理原始信號中存在的「雜訊」的能力。我們在前面一個章節已經專門介紹了CCD相機。這些「雜訊」可能包括拾音頭（註：拾音頭是用來採集現場聲音再傳送到後端設備的一個器件）的雜訊（A / D轉換期間引入的雜訊），暗電流以及由電子波動（與環境溫度有關）引起的偏差，以及一些自然和人造的背景音（大氣中的射線，月光，光污染...）。雖然人的眼睛不是電子設備，但是當它必須通過視神經將信息傳輸到大腦時，它會充分利用電子的電磁特性。現在我的問題是，人的眼猜陪睛與CCD感測器之間到底有什麼聯系？我雖然不是什麼神經物理學家（這一般屬於神經物理學家的范疇，但話說回來，眼睛也不過只是大腦的一部分延伸），也不是技術分析師，但在我看來，我們剛剛提到的前幾種雜訊，也就是 「拾音頭的噪音」和 「暗電流」，對人的眼睛（還有大腦）都沒有什麼明顯的影響。沒有光感刺激的時候，我們就不會感知到任何視覺信號，就像盲人一樣...不管這些光信號的結構和形狀怎樣，雖然它們確實存在，但是它們的影響微乎其微，甚至可以忽略不計。接下來我們說說「背景雜訊」的影響。到了晚上，不論你把天空中所有飛行航班都取消掉，還是勒令全部噴氣式飛機都停止飛行，背景雜訊就在那裡，永遠都是存在的。這種雜訊可以通過宇宙射線的形式撞擊我們的視網膜和其他神經細胞。極少數情況下，我們可以在眼睛中看到一剎那的閃光，就像一團新星忽然在夜晚瞬間爆炸一樣。但是它主要體現在天空的亮度上（處於活躍狀態的大氣原子會發出光），但是現在光污染限制了我們分辨弱光物體的能力（在熙熙攘攘的城市中，信號和雜訊很可能強度相同，所以我們幾乎沒有什麼機會觀察星星）。為了讓我的理論看起來更全面一點，我們還要考慮天氣因素。如果觀測條件（湍流和空氣透明度）良好，那麼信號源（行星，月亮，恆星，星系）就會發出比雜訊更強的信號。總而言之，像這樣簡單易懂的分析可以就為什麼我們只能在夜間觀察星空的問題，給出一個清晰的答案。除此之外，我們從這個分析中還能得出一個結論，也就是所有自然界的背景「雜訊」的強度都遠低於星星所發出的信號。星星在白天是怎樣的？數學邏輯與物理方法的運用如果我們想要在日光下找到星星，首先需要意識到白天的環境條件是與夜間條件完全不同的。日間的太陽光和天空的亮度都為星星發射的射線信號增添了很多「噪音」，這時候僅靠一個「濾波器」是無法去除這些「噪音」的。其實原理就是這么簡單！現在我們再用數學術語來解釋一下這個問題。假設我們在做一個冥想運動的實驗（在稍後的展示中會有附加虛擬值），冥想訓練的內容就是如何在「光天化日」之下觀察一顆恆星。陽光，恆星發出的光射線和自然界的各種聲音以每秒10,000光子的速度撞擊我們眼睛中的敏感細胞。我們需要注意，這個數據並沒有把恆星發出的信號從所有混雜在一起的信號集合分離出來。人眼的視野范圍大約為120°，涵蓋了廣闊的天空和大量的光線，可能還要算上亮度因素，我們稍後會對此再進行確認[1]。這樣的信號是一個復雜的物體，由光子波列和攜帶能量的量子組成，是適用於量子物理學的定律的。根據量子物理學定律，我們可以把雜訊看做隨機量子。像CCD攝像機一樣，我們用肉眼尋找的信號中存在的總雜訊量（B）相當於相對平均亮度的量子不確定性或者是標准偏差。它的表達式定義為各個雜訊值的平方和的平方根（聽起來好難！）：B =Ö（雜訊12 + 雜訊22 + ...）那麼星星的信號到底是什麼呢？我們對這顆特定恆星進行了測量，發現眼睛在白天可以捕捉到來自星星的50個光子。我們是這樣得到星星的信號的：總信號減去太陽的信號和其他雜訊中的信號。其實一切都是量子事件的問題，所有的雜訊（等式1）都會產生：Ö10000，或者說是每個視覺單元100個光子。現在，已知有50個恆星光子與9950個其他光子混合在一起，這些光子是由視野范圍中散布的光組成，光源包括太陽、天空和一些光污染源，我們可以確定恆星的信號強度，即信噪比或S / B。將這個關系應用於這個案例，我們發現比率S / B = 50/100，即0.5。這個數字代表著什麼呢？以上是對星級增加的恆星的情況模擬，其信噪比在2：1和16：1之間。下面在人造星雲上完成了一次類似的測試。在這個例子里，0.5這個數據說明我們無法以比1 / 0.5的精度還要高的准確性來估計恆星的星等（或其亮度），除非是元素2，它的值比a的可接受檢測閾值低10倍。 CCD檢測器（每個像素的S / N比率可以達到20或更高，足以在每平方弧秒檢測一顆20e星等的恆星），但我們的眼睛不是完全與CCD感測器類似的，因為CCD感測器中有著視網膜作用的結構根本無法積累光！這個0.5的數值也意味著恆星的亮度會淹沒在天空的背景光中，這大大降低了我們白天試圖觀測的恆星的信噪比。如果把我們的這顆恆星在電腦屏幕上顯示出來的話，我們在白天是幾乎看不到任何圖案的，頂多隻能給我們留下一個空白屏幕。那現在我們來試試怎麼解決一下在太陽光下觀察星星的問題吧！具體怎麼辦呢？其實只要增加星星的信噪比就可以了。如果我們用一些像長焦或者長筒望遠鏡這樣視野范圍大約為10'或更小的儀器來縮小我們的視野范圍的話，我們就會讓雜訊的影響大幅度降低10倍甚至更多，從而提高星星的S / B比率。我們用這個方法可以增加恆星的S / B比率，但要犧牲已經變得更暗的背景亮度。在顯示器上，圖像會變得更加柔和，星星現在看起來就像一個沐浴在藍灰色光暈中的小亮點，而這恰恰就是一個正在逐漸變弱的信號的典型表現，或者換句話說，這可能會讓本就不穩定的S / B值變得更小。由於這種思維方式，我們把星星的信噪比中的雜訊影響降到了50 /Ö1000而不是50 /Ö10000，現在這個值就是15而不是0.5了。多虧了30倍的「采樣」，理論上我們才能夠更容易地將星星的信號與其他信號區分開，從而在

⑵ 白天看不見星星，晚上能看見，為什麼會這樣

1. 白晝時，我們為什麼看不見星星？
這是因為地球的大氣層和太陽的光線阻擋了我們的視線。地球的大氣層不僅為地球生物提供保護和生存環境，還包含了大量的空氣分子和顆粒。當太陽光線穿過大氣層時，這些分子和顆粒會反射和折射光線，產生漫反射現象。這種現象讓光線照亮了地表以上的空間，使我們看到白天的景象。然而，這種漫反射也讓星光顯得非常暗淡，無法與太陽光線相媲美，因此我們在白天幾乎看不到星星。
2. 夜晚為什麼我們能看見星星？
當太陽落山後，太陽光線不再照亮地球表面，此時星光就變得明顯起來。因為沒有太陽的強光遮擋，我們可以清晰地看到夜空中閃爍的星星。
3. 月球上的星星 visibility ring the day on the Moon?
在月球上，由於沒有大氣層的存在，太陽光線只能照亮月球表面，而周圍的空間仍然保持黑暗。因此，即使在月球的白天，只要我們抬頭仰望天空，仍然能看到星星在閃爍。這與地球上白天的情形不同，地球上大氣層的漫反射使得星光被太陽光淹沒，而在月球上，星光則不受干擾地閃爍在夜空中。
4. 白天看蠟燭的比喻
這個比喻是為了說明太陽的強光如何掩沒了星星的亮度。就像在白天點燃的蠟燭在遠處幾乎看不見一樣，太陽的光線在白天掩蓋了星星的微弱光芒。這個比喻強調了太陽光線的強度和星星亮度的相對較弱。