為什么我們要用五角星來代表星星？這可能是一個(gè)數(shù)學(xué)問題，因?yàn)槲覀児P尖不用離開紙面，一筆五畫就可以畫出一個(gè)五角星。你可能不一定注意過，但是這樣的效率高得可怕，要知道畫一個(gè)最簡單的空心三芒星，都需要六畫。

　　天天畫五角星，或許都忽略了它的好處。圖片：老貓

　　需要六畫的空心三芒星。圖片：老貓

　　當(dāng)然我們還有很多很多其它的手段來表現(xiàn)星星。譬如最簡單的，用兩條直線組成的四芒星、四條直線組成的八芒星，復(fù)雜的話則感覺根本沒有上限，有些人會(huì)一層層地描繪星星的“星芒”，直到實(shí)在畫不下了為止。

　　約翰·拜耳《測天圖》局部——看上去就亮得不成樣子的那顆，是全天第九亮星參宿四。圖片：wiki commons

　　然而從物理上來說，星星都是遠(yuǎn)在天邊的巨大火球，絕大部分星星都是完美的球形，除了剛剛我們提到的參宿四。參宿四是一顆劇烈膨脹的紅色超 ，和其它恒星相比，它一點(diǎn)也不圓，但是和五角星比較起來，它還是圓墩墩的，看不出一絲棱角。

　　參宿四的藝術(shù)想象圖，這幅圖的尺標(biāo)是整個(gè)太陽系。圖片：wiki commons

　　你可能會(huì)說：“我們有圖有真相啊，你看看哈勃望遠(yuǎn)鏡照出來的照片，星星都是有星芒的！”但是照片所表現(xiàn)的，真的是真相嗎？

　　哈勃空間望遠(yuǎn)鏡所拍攝的最 的照片之一，M16鷹星云的局部。圖中的每顆星星，都長著四個(gè)長長的角。圖片：NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

　　實(shí)際上，照片只是通過特定儀器，在幾種介質(zhì)上記錄下的物體的像而已，很多很多的光學(xué)現(xiàn)象會(huì)影響記錄的準(zhǔn)確性。光線在鏡頭鏡片間的反射造成的“炫光”、不同顏色的光在鏡頭玻璃中的折射率不同而導(dǎo)致的“紫邊”，在現(xiàn)實(shí)中都是不存在的。給星星裝上角的，是另外一種光學(xué)現(xiàn)象——衍射。

　　月球登陸器的照片也少不了炫光的影響。左上角的大光球在事實(shí)上是不存在的，右下角那幾個(gè)藍(lán)紫色、紅色的暗色光暈也是。對(duì)，別以為哈蘇相機(jī)上裝上最好的蔡司鏡頭，就不會(huì)產(chǎn)生炫光了！圖片：NASA

　　光的衍射，指的是光有繞過物體，被物體后正后方的眼睛觀測到的能力，這是光波粒二相性的表現(xiàn)之一。不要害怕，我們不會(huì)太過糾結(jié)于這個(gè)艱深的知識(shí)點(diǎn)，我們只需要由這個(gè)點(diǎn)衍生出的光的衍射圖樣就好。

　　單色激光通過狹縫或者光柵形成的衍射圖樣。圖片：mit.edu

　　當(dāng)然，這里我們也不打算來計(jì)算不同波長的單色光衍射圖樣會(huì)有什么差別，只需說一個(gè)結(jié)論就好：用相機(jī)拍攝一個(gè)點(diǎn)光源，如果光源和底片之間存在一條直線障礙的話，照片上的點(diǎn)光源影像就會(huì)產(chǎn)生一條與之垂直的，中間亮兩邊逐漸變暗的細(xì)線。

　　大概就是這樣。圖片：wiki commons

　　是不是感覺有的衍射圖樣似曾相識(shí)？是不是有的光斑和之前哈勃望遠(yuǎn)鏡照出來的一毛一樣？

　　哈勃太空望遠(yuǎn)鏡組裝時(shí)的照片，最左邊那一坨黑色的圓柱形是望遠(yuǎn)鏡的二級(jí)鏡片，支撐它的八根（特別細(xì)的）黑色支架，從正面看，其實(shí)等效于上圖的圖5。望遠(yuǎn)鏡拍出來的星芒與衍射圖樣類似，也就再正常不過了。圖片：NASA

　　對(duì)，這就是哈勃望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。哈勃這樣的反射型望遠(yuǎn)鏡需要一個(gè)置于主反射鏡正前方的二級(jí)鏡片，這組鏡片不可能憑空出現(xiàn)在那里，必然有支撐結(jié)構(gòu)，而那四根支撐，就成為了孕育星芒的溫床。來看一架稍微簡單一些的牛頓反射望遠(yuǎn)鏡吧：

　　就是前面那個(gè)細(xì)小的十字形結(jié)構(gòu)，給照片里的星星插上了美妙的星芒。圖片：bhphotovideo.com

　　實(shí)際上，這種物鏡的支持結(jié)構(gòu)使用三條支架的也很多，所以看見六芒星（這里我們說的不是大衛(wèi)星“✡”）也不要太過驚訝：

　　一張向日葵星系（M63）的照片，六射星芒十分顯眼。圖片：republika.pl

　　如果光學(xué)系統(tǒng)里沒有這討厭的支架，譬如說我們用折射望遠(yuǎn)鏡，或者更簡單一些，直接用相機(jī)，來拍星星呢？有的時(shí)候，我們的確可以避免這些本不該存在的星芒，但是有的時(shí)候星芒依然不請(qǐng)自來，這是咋回事兒？

　　是的，有星芒的可以不只是星星。圖片：Andrew Kee

　　這次搗亂的依然是阻擋光線的結(jié)構(gòu)，不是位于視場的中間，而是邊緣。熟悉相機(jī)的朋友一定知道相機(jī)里有一個(gè)叫做“光圈”的結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)是用來控制進(jìn)入鏡頭的光量，進(jìn)而影響和照片亮度和景深的結(jié)構(gòu)。因?yàn)楣馊Ρ旧斫Y(jié)構(gòu)的限制，收小的光圈都是多邊形的，而正是這樣的多邊形，造成了衍射。

　　典型光圈結(jié)構(gòu)示意圖。圖片：dianajuncher.dk

　　鏡頭里的光圈結(jié)構(gòu)。圖片：trazeetravel.com

　　正如反射望遠(yuǎn)鏡支架數(shù)量各不相同，鏡頭光圈的頁片數(shù)量也是各種各樣的，因此照出來的星芒也是五花八門。一般來說，偶數(shù)片光圈頁片的鏡頭拍出來的星芒和光圈頁片數(shù)相同，而奇數(shù)頁片的鏡頭拍出來的星芒數(shù)則是光圈頁片的兩倍。

　　光圈如果是圓形的，或者全開光圈的話，其實(shí)是可以避免星芒出現(xiàn)的。圖片：wiki commons

　　說到底，我們之所以能在照片上看到星芒，都是因?yàn)槠鞑牡墓鈱W(xué)缺陷。但是在相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡發(fā)明之前，似乎大家畫星星的時(shí)候也都長著“角”？上文引用的拜耳《測天圖》成書于1603年，那時(shí)候望遠(yuǎn)鏡還沒有被發(fā)明出來呢！

　　遠(yuǎn)在望遠(yuǎn)鏡發(fā)明之前，星星“長角”的現(xiàn)象就十分普遍。古埃及塞納姆特墓（Tomb of Senenmut，約建于公元前1479–1458年）的天花板上就刻滿了長著角的星星（真的不是海星）。圖片：youtube.com

　　答案其實(shí)很簡單，因?yàn)槿祟愖陨淼墓鈱W(xué)結(jié)構(gòu)，嗯，也就是說眼睛，也是有光學(xué)缺陷的。雖然說“眼見為實(shí)”，但是人眼本身，不過是一個(gè)簡單的光學(xué)機(jī)構(gòu)罷了，晶狀體是鏡頭，虹膜是光圈，而眼球背面的視網(wǎng)膜是成像機(jī)構(gòu)。和相機(jī)的光圈相比，人類的虹膜相當(dāng)高級(jí)，它可以隨時(shí)隨地保持圓形，但是晶狀體就沒有那么完美了。

　　人類的晶狀體遠(yuǎn)沒有想象中那樣完美無暇。而且從嬰兒（A）到衰老（C），晶狀體表面的紋路還在不斷地越變?cè)綇?fù)雜。圖片：Dr. Jer Kuszak, Rush Presbyterian / St. Lukes Medical Center

　　這樣的“鏡頭”，理所當(dāng)然會(huì)導(dǎo)致光的衍射，造成某種程度的衍射星芒。西班牙達(dá)薩·巴爾德斯光電研究所（Instituto de Optica Daza de Valdés）的研究人員通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)。他們用一套復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，記錄下了一束綠色光源進(jìn)入瞳孔完全張開的眼睛后，在視網(wǎng)膜上留下的光斑。經(jīng)過矯正之后，這些光斑的形狀，應(yīng)該就是我們?nèi)庋?ldquo;看到”的星星的形狀。

　　記錄視網(wǎng)膜光斑的復(fù)雜機(jī)構(gòu)（左），以及在視網(wǎng)膜上捕捉到的“星星”（右）。圖片：Navarro R et Losada MA (1995) J. Opt. Soc. Am. A 12(11):2385-2392 / Navarro R et Losada MA (1997) J. Opt. Soc. Am. A 14(2):353-359

　　通過對(duì)這些光斑的分析，研究人員還得出了另外一個(gè)結(jié)論：每個(gè)人眼里的星星很有可能都是不一樣的。畢竟在他們研究的樣本有限，但是衍射導(dǎo)致的星芒圖樣千差萬別，就沒有一個(gè)重樣的。這真是個(gè)好消息，只要嘴硬，怎樣畫星星都不能算錯(cuò)了！