方励之：“天为什么是蓝色的”一百年
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方励之：“天为什么是蓝色的”一百年
方励之：“天为什么是蓝色的”一百年 发表于
　原载《华夏文摘》第944期
在在10-04-16 06:12 发布“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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【转】天空为什么是蓝色的？爱因斯坦给出了正确答案收藏
　　天空是蓝色的，这是一个普通得不能再普通的现象。可是天空为什么是蓝色的？这个问题直到1910年才由爱因斯坦解决了。　　根据记载，早在两千多年前，古希腊就有人系统对此进行过研究。由于科学手段的落后，那是对天蓝问题的研究还停留在纯思辨的阶段。近代对天蓝问题的研究始于19世纪初，最早是由丁达尔给出了解释。丁达尔认为，由于空气中存在尘埃、颗粒、水蒸气等细小微粒，这些微粒会对光线进行散射，而散射波长正好集中于光谱的蓝色区域，因此天空呈现出蓝色。这个解释持续了几十年之久，是当时的主流解释。顺便说一句，目前国内很多科普书上甚至还采用的这一解释。　　然而，丁达尔的解释有一个无法解释的现象，就是不同地理环境下，天空呈现出基本一致的蓝色，比如沿海地区和沙漠地区，两者在空气湿度，尘埃微粒分布等等方面的大气条件存在重大差异，但天空的蓝色却并没有什么差别。此外，我们现在经常会遇到沙尘天气或雾霾天气，天空也并没有因此散射出蓝色。因此，丁达尔的解释是存在问题的。随着科技手段的进步，人们认识到尘埃、颗粒、水蒸气等尺寸是远大于光波波长的，事实上并不存在微粒对光线的散射，因此丁达尔的解释渐渐被抛弃了。
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那么天空到底为什么是蓝色的呢？此时的科学家瑞利认为，既然微粒无法散射光线，那一定是气体分子对光波进行了散射。于是他提出了气体散射论。通过精心计算，他发现主要是空气中的氢气分子和氧气分子对光线进行了散射。理论值和实验观测吻合得非常好。于是，瑞利的解释逐步成为主流。但是，瑞利在解释中引入了一个不得不加入的假设，就是空气是理想气体。这是一个危险的行为，所谓理想气体只是一种理论抽象，现实中并不存在。因此瑞利的解释存在着理论上的天然弱点。对瑞利解释的争议始终没有停止。
就在各方意见相持不下时，最终是爱因斯坦对这个问题给出了最终的答案。爱因斯坦另辟蹊径，他抛开了传统就光学研究光学的路子，而是从更高的层面，由热力学第二定律，根据熵增原理对天蓝问题给出解释。这正是爱因斯坦天才的地方。我们知道，熵增是宇宙的一条基本定律，制约着宇宙进化的方向。具体而言，宇宙万物都是趋于混沌的。但爱因斯坦天才地发现，这种趋向宏观上表现为一种概率，也就是说，各种事物总体上是趋向混沌的，但仍有固定的概率实现熵的“涨落”，也就是按一定概率在特定阶段趋向有序。有序和无序的分布呈现一定的概率规律。爱因斯坦通过精心计算，发现，空气的这种涨落，正好符合散射出蓝光的要求。通过光学和热力学的结合，爱因斯坦抛弃了理想气体的假设，通过熵的原理给出了天蓝的解释。目前这个解释是科学届公认的合理解释。　　根据爱因斯坦的理论，不光天空是蓝色的，纯净的海水也是蓝色的。这也说明海水蓝色并不是反射的天空的颜色。甚至纯净的水，纯净的玻璃，都是蓝色的。而这些都已被现代科学实验所证实。一个普通的现象，蕴含着一个深刻的真理，并且被一个伟大的科学家揭示。这正是科学的魅力。
这文有问题，大家来找找看
大海是蓝色的，所以把天空映成蓝色。
我能说都是光的效果吗？
水是没有颜色的，只有光有颜色。
好帖子，顶一个。
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反正我是看不懂
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天空为什么是蓝色我们看到的天空，经常是蔚蓝色的，特别是一场大雨之后，天空更是幽蓝得象一泓秋水，令人心旷神怡，跃跃欲飞。天空为什么是蔚蓝色的呢？大气本身是无色的。天空的蓝色是大气分子、冰晶、水滴等和阳光共同创作的图景。阳光进入大气时，波长较长的色光，如红光，透射力大，能透过大气射向地面；而波长短的紫、蓝、青色光，碰到大气分子、冰晶、水滴等时，就很容易发生散射现象。被散射了的紫、蓝、青色光布满天空，就使天空呈现出一片蔚蓝了。天为什么是蓝的，而不是绿的或红的呢?首先你得明白一个道理：我们周围的事物之所以显现出颜色来，仅仅是因为阳光照射着它们。虽然阳光看上去是白色的，但是所有的颜色：赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫，在阳光里都存在。天空里有这么多颜色，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。可惜，在今天，这个生命攸关的保护层在许多地方都已经变薄了，在南极上空甚至已经形成了一个大的空洞。而破坏臭氧的凶手就是“氟里昂”—一种人们用来喷洒护发摩丝或用在冰箱和空调上制冷的物质。这是一种对臭氧层特别有害的物质，所以许多国家已经不再使用这种“臭氧杀手”了。今天我们学到了为什么我们眼中的天空是蓝色的。其实从地球以外望过来也是一样：覆盖我们地球三分之二面积的海水也散发着蓝光，陆地上虽然有土地的褐色或森林的绿色，然而上空却总是蓝色的—从宇宙中看来，整个地球都被裹着一块轻柔的蓝色面纱。从大气层外看见过地球的天文学家报道过这一情况。所以地球被称做“蓝色星球”是完全正确的。它那独特的蓝色，就是生命的颜色。
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　　　　接下来书归正文，谈一谈天空为什么是蓝色的：　　我们看到的天空，经常是蔚蓝色的（当然，不考虑雾霾时），特别是一场大雨之后，天空更是幽蓝得犹如一泓秋水，令人心旷神怡。那么天空为什么是蓝色的呢？　　首先让我们从下面几个光学现象说起。　　光的色散　　复色光分解为单色光而形成光谱的现象叫做光的色散。色散可以利用棱镜或光栅等作为“色散系统”的仪器来实现。复色光进入棱镜后，由于它对各种频率的光具有不同折射率，各种色光的传播方向有不同程度的偏折，因而在离开棱镜时就各自分散，形成光谱。　　　　阳光看起来是白色的，但其实自然光由赤橙黄绿青蓝紫七种颜色的光组成。早在1666年牛顿利用三棱镜实验便证实了这一点。　　　　太阳光到达我们的眼睛里，就必须经过大气层。根据大气垂直温度的变化，我们把大气层分为：热层、中间层、平流层和对流层四层。　　大气层　　由于热层上部大气多为质子组成，为大气圈向外层空间的过渡地带，称为外层也叫散逸层；距离地面10~50千米左右的气层称为平流层，平流层内的空气比对流层要稀薄很多，很少会出现天气现象，平流层中在15~35千米的范围内，有厚约20千米的臭氧层；对流层是最靠近地面的，大气中主要的天气现象（如云、雾、雨、雪、雹等）都形成在此层内，这一层富集了如N2、O2、Ar等气体，还有各种人为排放的颗粒物。　　当自然光在前进的路线上碰到大气层中这些障碍物，传播方向就会发生改变，发生散射现象。　　光的散射　　光通过不均与介质时一部分光偏离原方向传播的现象。我们知道，光无论是在空气、水或是其他介质中，总是沿着直线传播。一旦遇到一个小的颗粒，就有一部分光线偏离原来的方向向四面八方传播。这就是光的散射现象。　　　　正常天气状况下，大气层中的颗粒物质尺寸远小于可见波波长，光线碰到这些小颗粒时发生的散射称为瑞利散射。　　瑞利散射　　气体对不同颜色光的散射强度与光的波长的4次方成反比（强度~λ-4），这种现象是在19世纪，由英国科学家瑞利发现的，所以被称为瑞利散射。　　　　由瑞利散射与波长的关系可以看出，波长越短瑞丽散射的强度越大，因此波长较短的蓝光（波长约为450纳米）会比波长较长的红光（波长约为600纳米）散射更强。经过大气层中无数颗粒的多次散射后，短波波段的蓝色光线相比其它波长更长的光线变得更强，所以我们就看到了蔚蓝的天空。　　你问我答　　Q：既然波长越短散射越强，为什么天空是蓝色而不是紫色？　　A：上文提到平流层有一层臭氧，臭氧对太阳辐射的紫外线有强烈的吸收作用，因此能够到达地面的紫光很少，再加上我们的眼睛对紫色不如蓝色那样敏感，所以虽然紫光比蓝光波长更短，但我们看到的天空不是紫色而是蓝色的。　　Q：为什么有时天空不是蓝色而是白茫茫的？　　A：在大气污染的情况下，比如出现雾和霾时（雾和霾是两个完全不同的概念），天空总是能见度不佳呈现白色。上文讲到过光线遇到较小的气体分子时发生的散射叫做瑞利散射，当光线碰到粒径大小接近于或大于光线波长的粒子时，发生的散射叫米氏散射（或米散射）。与瑞利散射不同的是，米氏散射的强度几乎与波长无关，而且光子散射后的性质也不会改变，因此经米氏散射后的光线呈现白色或灰色。在雾天或霾天时，空气中悬浮着大量的水滴、烟、尘等颗粒，光线透过时主要是米氏散射，因此我们看到的总是白茫茫甚至是灰色的一片。　　Q：为什么太阳看起来不是蓝色？为什么朝阳和夕阳是橙红色？　　A：白天，太阳在我们的头顶，当日光经过大气层时，与空气分子发生瑞利散射，因为蓝光的瑞利散射比较强，所以天空呈现蓝色。但是太阳本身及其附近却呈现白色或黄色，这是因为在太阳与太阳周围范围内我们看到的光线大多是直射光而不是散射光，所以日光的颜色（白色）基本未发生改变。而当日落或日出时，太阳几乎在我们视线的正前方，此时太阳光在大气中要走相对长的路程，这时直射光中的蓝光大多都被散射了，只剩下红橙色的光，这就是为什么日落时太阳附近呈现红色。而此时的云也因为反射太阳光而呈现红色，这就和用红色的光照在白纸上的道理一样。　　　　Q：为什么云是白色的呢？　　A：空中的云是由小水滴和空气中的粉尘组成的，它们的直径比可见光的波长要长，所以当阳光穿过云时主要发生的是米氏散射，另外有一部分阳光被反射到空中，还有一部分直接穿透水滴之间的缝隙。上述3种情况对阳光的成分都没有影响，所以通常情况下云是白色的。　　　　Q：为什么雨前的云又灰又暗？　　A：当云层发展得越来越厚时，更多的阳光会被反射，只有越来越少的阳光可以穿透它。由于较少阳光到达云底，云底的散射亦较少，所以云底呈灰色。此外，如果在云底附近的水滴越来越大（如水滴重量足够造成降雨的前一刻），它们会变成较弱的散射体和较强的吸收体。因此，大部分阳光经过反射或吸收后才能达到带雨厚云的云底。从云底到达地面的光大为减少，所以在下雨前云看起来是又灰又暗的。　　　　还有什么问题要问，快快给我们回复吧！你的问题很可能出现在下期“你问我答”中呦
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