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1、天空为什么是蓝的？原因并不像常见的答案里说的那样，是由于 “ 大气中的尘埃以及其他微粒散射蓝光的能力大于散射其他波长较长的光子的能力” 。与可见光的波长（约400 纳米 700 纳米）相比，空气中的尘埃和小水珠之类的微粒，可以称得上是庞然大物。就以最近比较让人气短的PM2.5 来说，指的就是空气中悬浮着的尺度小于等于2.5 微米的颗粒物造成的污染。 2.5 微米就等于2500 纳米，远远大于阳光中可见光的波长，因此当阳光遇到这些颗粒物的时候，它们会向不同的方向反射。但是，这样的反射对于不同波长（或者说不同颜色）的光来说， 效果都是相同的。换句话说，尘埃之类的颗粒物反射出来的，仍然是包含所有颜色
2、的白光。不信吗？等PM2.5 之类的空气污染指数再次爆表时，抬头看看天空是什么颜色就知道了 应该说，你看不到天空，只能看到白茫茫的一片才对那么，天为什么是蓝的呢？其实，空气中确实存在大量尺度比可见光波长更小的微粒，就是空气中的多种气体分子，比如氧气和氮气分子的“ 直径 ” 都是 0.3 纳米左右。遇到这些气体分子的时候，有些光子就会被吸收。一段时间之后，分子又会释放出另一个光子。放出的光子跟吸收的光子颜色相同，但是方向变了。虽然所有颜色的光子都会被吸收，但频率较高（ 即 颜色较蓝）的光子比频率较低（颜色较红）的光子更容易被吸收。这个过程被称为瑞利散射，是以 19 世纪 70 年代最先描述这一
3、过 程的英国物理学家约翰 瑞利爵士的名字命名的。那么，蓝色光更容易与空气分子发生瑞利散射，又怎么会产生 蓝 天呢？先做个简单的假设，如果不存在任何空气，天会是什么颜色？虽然我们大多数人都没有上过太空，但从阿波罗登月的纪录片中可以看到，月亮上哪怕太阳当空照，天空仍然是黑色的。原因嘛，看看下图就知道了：由于空气中存在瑞利散射，情况就完全不同了，阳 光 在 大气中传播的途中， 偏蓝色的光更容易发生瑞利散射而 被 偏 折到了与阳光原来传播的方向不同的方向上。于是，我 们 就 算不直对着太阳看，而是朝天空中的其他方向上看，也 总 有 被空气分子散射的光子（更多的是蓝光）射入我们的眼 睛 ， 于是就看到了
4、蓝天。就如图所示。“ 天蓝 ”物理学似乎很普及。凡是看过 “ 十万个为什么” 的初中 生 ， 都能说出它的 “ 标准答案 ” ：“ 空气中会有许多微小的尘埃、水滴、 冰晶等物质， 当太阳光通 过 空 气时，波长较短的蓝、紫、靛等色光，很容易被悬浮在空气中的微粒阻挡，从而使光线散射向四方，使天空呈现出蔚蓝色。 ”中文世界中，大小权威的教育和科学网站，大多仍采用上述“ 标准答案 ” ，几乎一字不差。这个 “ 天蓝 ” 解释，基本上是十九世纪中叶的水平。它是英国物理学家丁铎尔（，）首创的。常称作丁铎尔散射模型。确实，“ 波长较短的蓝色光，容易被悬浮在空气中的微粒阻挡， 散射向四方 ” 。但它并不是
5、“ 天蓝 ” 的真正原因。 如果天蓝主要是由水滴冰晶等微粒的散射引起的，那末，天空的颜色和深浅，就应随着空气湿度的变化而变化。因为当湿度变化时，空气中水滴冰晶的数目会明显变化。潮湿地区和沙漠地区的湿度差别很大，但天空是一样的蓝。丁铎尔散射模型解释不了。到十九世纪末叶，丁的天蓝解释已被质疑。年代，瑞利（，）注意到，根本不必求助尘埃、水滴、冰晶等空气中的微粒，空气本身的氧和氮等分子对阳光就有散射，而且也是蓝色光容易被散射。所以，空气分子的散射就可以作为“ 天蓝 ” 的主因。然而，各个分子有散射，不等于空气整体会有蓝色。如果纯净的空气是极均匀的，分子再多也没有“ 天蓝 ” 。就像一块极平的镜子，只有
6、折射或反射，而极少散射。在均匀一致的环境中，不同分子的散射相互抵消了。就如在一个集体纪律超强的环境（如监狱）中，每个人的独立和散漫行为被彻底压缩。而“ 天蓝 ” 靠的就是分子各自的独立和相互不干涉，或少干涉。为此，瑞利假定，空气不是分子的“ 监狱 ” 。相反，氧和氮等分子，无规行走，随机分布。瑞利由这个模型算出的定量结果，很好地符合天蓝的性质。年，瑞利写了一篇总结式的文章“ 论天空蓝色之起源” ，开宗明义就说：“ 即使没有外来的微粒，我们依旧会有蓝色的天” 。“ 外来的微粒 ” 即指丁铎尔散射所需要的。从此，丁铎尔的天蓝理论被放弃。瑞利散射成为“ 天蓝 ” 理论的主流。瑞利的天蓝理论虽然很成功
7、，瑞利的分子无规分布假定，也有根据。然而，瑞利实质上还要假定空气是所谓理想气体，这是一个不大的，但也不可忽略的弱点。因为空气不是理想气体。年，爱因斯坦最终解决了这个问题。爱因斯坦用当时刚刚发展的熵（混乱的度量）的统计热力学理论证明：那怕最纯净的空气，也是有涨落起伏的。空气本身的密度涨落也能散射，也是蓝色光容易被散射。密度涨落的散射，不多也不少，正好能产生我们看到的蓝天。如果空气是理想气体，爱因斯坦的结果就同瑞利的一样。所以，简单地说，天空蓝色之起因是：“ 空气中有不可消除的,杂质 ? ，即空气自身的涨落。密度涨落等对阳光的散射，形成了蓝天。”“天蓝 ” 起源物理不是爱因斯坦首创，但最完整的理论
8、是爱因斯坦奠定的。所以说，“ 天蓝” 物理学，完成于年。瑞利和爱因斯坦的“ 天蓝 ” 理论，是普遍适用的。可以用来解释纯净空气中的“ 蓝天 ” 现象，也可以用来解释纯净的水，纯净的玻璃等液体或固体中的“ 蓝天 ” 现象。当然，也有该理论不适用的地方。多年前，听到过有人对着“ 蓝天 ” 发（歌）情，“ 我爱祖国的蓝天” ，千万不要误听为“ 我爱祖国的独立而又无规游荡的分子们” 。高锟先生在他为“ 光纤通讯 ” 奠基的第一篇论文中引用的第一个物理公式，就是爱因斯坦的“ 天蓝 ” 瑞利散射公式（即公式）。 玻璃是凝固了的液体。即使最理想的玻璃，没有气泡， 没有缺陷， 玻璃中依旧有不可消除的,杂质 ?
9、，即玻璃本身的不可消除的涨落。在光纤中传播的讯号（光波） ，会被玻璃的涨落散射。“ 天蓝 ” 机制，是光纤通讯讯号损失的一个物理主因。它是不能用光纤制造技术消除的。只能选择“ 不太蓝 ” 的光，减低它的影响。不少权威的教育和科学（中文）网站上，正在报导高先生是“ 影响世界的华人” 之最。高先生的影响，确实遍及全球。有趣的是，这些网站本身，似乎并不在“ 被影响 ” 之列。比如，本文开头引用的“ 天蓝 ” 解释，就还完全没有“ 被影响 ” 。对青少年来说，那些“ 标准解释 ” 虽然不算是有毒奶粉，但也是过期一百年的奶粉。空里有这么多颜色，为什么我平时看到的只有蓝色呢？你可能会问。如果你把光线设想为
10、波浪，你就会猜破这个谜了。光其实是像一个波浪那样在运动的。我们来设想一下一滴雨落在一个水洼里的情景。当这滴雨落到水面上时，就会产生小波浪，波浪一起一伏地变成更大的圈，向着四面八方扩展开去。如果这些波浪碰上一块小石子或一个别的什么障碍物，它们就会反弹回来，改变了波浪的方向。而阳光从天空照射下来，一样会连续不断地碰到某些障碍。因为光所必须穿透的空气并不是空的，它由很多很多微小的微粒组成。其中百分之九十九不是氮气便是氧气，其余则是别的气体微粒和微小的漂浮微粒，来源于汽车的废气、工厂的烟雾、森林火灾或者火山爆发出来的岩灰。虽然氧气和氮气微粒只是一滴雨水的一百万分之一，但是它们也照样能阻挡阳光的去路。光
11、线从这些众多的小“绊脚石”上弹回，自然也就改变了自己的方向。可是那么多颜色的光改变了方向，为什么只有蓝色被看到呢？你可能还是不明白。我们还得回到刚才说的那个水洼里。水洼里，小的波浪遇到小石子的话，水面便被搞得混乱不堪；但如果是一个“巨浪”，像你用手在水洼边掀起的那种“巨浪” ，它就有可能干脆从石头上溢过去，并畅通无阻地到达水洼的对面边缘。那么，就像有大波浪和小波浪一样，各种各样颜色的光波也有不同的“波浪”，也就是波长：不过它们可不像水波的波浪，用肉眼是看不出它们的大小的，因为它们小得难以想像，只是一根头发的一百分之一！得用很灵敏的测量仪表才可以精确地测定出来。根据科学家的测定，蓝色光和紫色光的
12、波长比较短，相当于“小波浪”；橙色光和红色光的波长比较长，相当于“大波浪” 。当遇到空气中的障碍物的时候，蓝色光和紫色光因为翻不过去那些障碍，便被“散射”得到处都是，布满整个天空天空，就是这样被“散射”成了蓝色。发现这种“散射”现象的科学家叫瑞利，他是在130 年前发现的，他也是诺贝尔奖获得者。用“散射”现象，你就可以解释下面这些天象了：比如在你头顶的天空是蓝色的，可是在地平线天地相接的地方，天空看上去却几乎是白色的。为什么？就是因为阳光从地平线到你这个地方比起它直接从空中落下来，需要在空气中走的路程要远得多而在一路上它所擦过的微粒子也自然就要多得多。这些大量的微粒子就这样多次散射出光，所以它
13、显得白中透着淡蓝。建议你做一个小实验来验证一下：拿一杯水，把它放在一个黑暗的背景里，放进一滴牛奶，再拿一只手电筒照射杯子的一端，并靠近它，手电筒的光在水中即会显现出淡蓝色。如果你往水里放进的牛奶越多，水就越白，因为光一再地受到这些众多的牛奶微粒的散射，结果就是白色的。道理跟在地平线上空是白色的一样。太阳落山时的傍晚，天空不显现蓝色而显现红色，正在下落的太阳也变成暗红色，也是一样的道理。由于傍晚的光在照射到你这个地方的路上所遇到的众多的微粒，使得阳光中的紫色的和蓝色的部分往四面八方散射开去，仅留下一点点使你的肉眼看得见的橙红色光线因为它们的波长长、“波浪大”，翻过了路上的障碍。不过，细心的你会发
14、现，天穹在落日后也还会在一段时间内呈现深蓝色。这也曾经是科学家们关心的一件怪事，不过几个物理学家已经在50 年前揭开了这个谜：导致黄昏时天空的蓝色，是一种特别的物质。这种特别的物质在离地球表面20 至 30 公里的高空处聚集成厚厚的一个层面，叫臭氧层。这种气体对正在下落的太阳光起到像颜色过滤器那样的作用：它截获太阳光中的黄色和橙色的部分，却几乎无阻拦地让蓝色的部分通过。当最后的少许光消失时，所有的颜色才消失在黑暗的夜色中。臭氧不仅导致黄昏的蓝色天空，还吞下一种你无法看见的特殊的光线：紫外线的光，或称紫外线。你一定曾经听说过， 紫外线对所有的生物（当然也包括对你）有多么危险。 如果它在你的裸露的皮肤上照射得太长久，你就会得晒斑。 臭氧层到处都有足够的厚度能截获尽可能多的紫外线：这对于我们这个星球上的全体生命来说，是极其重要的。
