为什么早晨的太阳看起来更大？可以理直气壮的和孩子讲了
作者：多与
记得小时候课本上有一个“小儿辩日”的故事，讲的是孔子在东方游学时，看到两个小孩在争论，孔子问他们争论的原因，一个小孩说：“我认为太阳刚出来的时候距离人近，而正午时离人远”。另一个小孩观点和他恰好相反。这个小孩就解释说：“太阳刚出来的时候像个大圆车篷，到正午的时候就像个盘子或盂，这不是因为近大远小吗？”另一个小孩反驳说：“太阳刚出来的时候清凉寒冷，等到了正午，热的就像手放到了热水里，难道不是近就觉得热，远了就觉得凉吗？”他们就请教孔子，可孔子也不能断定谁是谁非。两个小孩就笑着说：“谁说你知道的事情多呢”。
可惜，这是堂语文课，不是物理课，老师也没有解释“太阳为啥早晨看起来更大”这个难题。
随着年龄和知识的增长，每次看到早晚大太阳或大月亮的时候，我都想起来这个问题。我就这个问题查过百度，发现网上众说纷纭，莫衷一是。总体来说，网上的观点主要有三种：
一是大气作用说，大致说因为地球周围有大气，太阳光经过大气时会有复杂的折射反射，好比看水中的木棍会变短一样，早晨的太阳看起来更大是由于大气中光线作用造成的。
二说视觉错觉说，认为早晨和中午的太阳其实一样大，不过由于早晨太阳贴近地平线，受到远方树木、山川等背景的影响，就会显得大一些。
第三种是“闪烁其词”派，一方面说源于视觉错觉，又说空气会对光产生复杂的作用，甚至认为这个问题尚未定论，是一个难题现在科学家仍没有解决。
我最藐视的是第三种观点，自己搞不明白又不想做功课，就抖机灵和稀泥，糊弄读者。现在理论物理的发展已经到臻深臻精的地步，若科学被这个小问题难住，也太小看现代理论科学了。
物理上学过，光透过空气等介质会发生反射、折射、衍射等光学现象，所以，我开始也直觉认为，这种现象可能源于光的折射。直觉上也排斥着眼睛错觉的观点：早晨的太阳怎么会和中午的一样大？目测早晨的太阳直径比中午大2-3倍，即使眼睛有时候有错觉，但不会错的这么离谱吧？怎么可能是一种假象？
纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。我决定自己好好研究下这个问题，给多年的疑问一个了断。我的目的只是定性的研究，长话短说，直接说下主要论证和论据。
一、 实验证明：早晨的太阳更大吗？
比较早晨和中午太阳谁大，其实质是验证不同时刻太阳“视直径”的大小，所谓视直径就是物体在视野中所占的角度。
一个简单的办法是：把尺子绑在一个长棍的一头，与长棍呈“T”字型，然后让太阳和尺子重合（由于太阳刺眼，可以用月亮代替），眼睛或相机与尺子的距离保持相同，记下不同时刻太阳在尺子上的宽度即可。画风大致是这样的：
结论出乎我的意料：早晨和中午的太阳的视直径大小几乎是一样的。也就是第二种观点是正确的，早晨“大太阳”的根本原因是眼睛的错觉，与空气折射关系不大，空气对太阳形状的视觉改变是比较细微的。
二、 如何理解早晨的“大太阳”只是一种视觉错觉？
部分读者可能会将信将疑，为了彻底理解这个现象。这里多解释一下。
首先，看这张照片：
图中A和B的明度是完全一样的吗？
答案是肯定的，感兴趣的可以截图比较下。
再看这些照片，比较下图中远处与近处物体的大小：
图中绿线的实际长度是完全相同的。
图中远处的人是不是看起来更大？其实他们的大小是一样的。
“蓬佐错觉”最早由意大利心理学家马里奥.蓬佐（1882-1960）提出，认为人类的大脑根据物体的所处环境判断它的大小。上述图片，以及早晨的“大太阳”就是这种现象的实例。由于早晨太阳在地平线上，背景是远处的树木，山川等，大脑在接受到此类视觉信息时，还会做“AI处理”，翻译成大脑易于理解的图像，输出结果是远处的物体会看起来更大一些。此类错觉大部分时候有助于我们直观快捷的判断远处物体的实际大小，但是，万事都有两面性，有时候这种机理也会导致误判，比如，会带来“大太阳”的错觉。
我们可以直观的感受到这种错觉，甚至可以通过人为训练，消除这种错觉。方法是：当太阳或月亮初升时，我们用手卷成筒，或者眯着眼睛观察它们，视野尽量排除周围的背景，就会惊奇的发现，太阳或月亮突然就变小了，感觉和在头顶的时候大小相差无几，但当我们松开手放松看，它们又“变大”了。如果多做几次针对的练习，我们甚至可能控制它们的“视觉大小”，即使有周围环境存在，也可以盯着它看，让它人为的“看小”或“看大”。
三、为啥早晨的太阳是扁椭圆？
这个问题我并没有在网上找到有说服力的论证，这里说说我的观点，如有纰误，欢迎指正。
首先，“扁太阳”现象肯定源于大气的作用，在月球没有空气的月球上观察太阳，应该不会出现这种现象。虽然阳光从真空中射入大气层会出现折射，但是空气的折射率为0.00029，是极小的，根据折射定律，入射角越小，折射效果越明显，所以，只在太阳初升或落山时才有比较明显的折射效果。其他情况，折射效果几乎小到可以忽略不计。
初中物理上学过，空气中看水中的物体竖向高度会变矮，水中看空气中的物体竖向高度会拉长，水平宽度均不变。与之类似，按理说，太阳光从真空中穿过地球大气，由于大气层上方稀薄，下方浓密，太阳光的实际路径是一个向下弯曲的曲线，由于水平方向大气没有浓度差，所以太阳光不会有水平方向的偏转，也就是说太阳水平方向不会出现宽度变形。而竖直方向，类比水中观察物体会拉长，我们在空气中应该看到纵向变长的太阳，即一个长椭圆的太阳，为啥实际是扁椭圆呢？
其实，这就涉及到空气折射率问题，太阳只有在水平面附近的时候才会出现明显的折射现象。与水中观察物体不同的是，当太阳刚升起的时候，虽然太阳上下端高度相差很小，但是，上下端的阳光折射效果相差较大。地球的大气层是一个球面弧形，假设大气层高度100千米，太阳的角直径0.5度，地球直径6400千米，大气折射率0.00029。粗略计算可知，太阳顶端的光线约穿越800千米路程的大气层，太阳底端的光线穿越约1200千米路程的大气层，而且下端光线穿越浓密空气的路程占比更大，导致其折射率明显增强。
扁太阳原理示意图，图中A代表实际太阳竖向直径和位置，B代表视觉中太阳竖向直径和位置
所以，虽然太阳上端光线经折射后，会导致太阳上端视觉高度比实际高度略高一些，但是太阳下端光线的折射效果更明显，导致太阳下端视觉高度比实际高度高的更多。也就是说，虽然太阳上端视觉上抬高了一点，但下端视觉上抬高更多，叠加来看，太阳的实际视觉高度还是变扁了，由于水平长度没有折射效应，所以，早晨的太阳视觉上是一个扁椭圆。由于大气的折射率极小， “扁太阳”现象只有太阳在地平面的短暂一会才比较明显。另外，水汽越大，空气折射率越大，扁太阳现象也越明显，所以，理论上，海上的日出(水汽大)比沙漠中的日出“扁太阳”现象应该更常见。
苏轼《石钟山记》记叙一件事：他不满于他人对石钟山得名由来的说法，亲自探究一番后才得出真相，文末感叹“事不目见耳闻，而臆断其有无，可乎？”
与之类似，本文的最大目的并不是就事论事，而是就事论道。通过这个事例说明，很多事情验证起来并没有想象中的难，与其人云亦云，劳神费心的参阅别人的观点，不如把时间花在自己思考和研究上，只有自己去寻找，才能获得真知，才能拥抱真正的智慧。