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天空为什么是蓝色的

07-09  生活百事通

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”。

天空为什么是蓝色的

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:

天空为什么是蓝色的

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,于是就看到了蓝天。就如下图所示。

天空为什么是蓝色的

“天空为什么是蓝色?”正确的物理解释完成于1910年,迄今整一百年。“天蓝”物理学的一个重要应用,是光纤通讯,即高锟先生去年获得物理诺贝尔奖的项目。

“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(John Tyndall,1820-1893)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“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。

1880年代,瑞利(John Rayleigh,1842-1919)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。1899年,瑞利写了一篇总结式的文章“论天空蓝色之起源”[1],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,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。

1910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,但最完整的理论是爱因斯坦奠定的。所以说,“天蓝”物理学,完成于1910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[3]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Einstein-Smoluchowski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’,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

[1]J.Rayleigh,Phil.Mag.XLVII,375,1899

[2]A.Einstein,Ann.Physik,33,1275,1910

[3]C.Kao,Proc.IEE,113,No.7,1966 2010,电动力学课正讲到瑞利散射,Tucson,

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