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天空为什么是蓝色的? [编辑] [删除]
2015-06-09 17:45:57 | 分类: 默认分类

天空为什么是蓝色?正确的物理解释完成于1910年,迄今逾一百年。这或许让人不禁诧异,如此“理所当然”的现象为何在不远的近代才得以定音,无非是进行了一些可有可无的修修补补?下面来回顾天蓝物理学的发展过程,则说不定又会让人有意想不到的发现。


丁铎尔散射

19世纪中叶英国物理学家丁铎尔(John Tyndall18201893)的理论来解释蓝天出现的原因——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尽管该观点后来被证实并不完全正确。

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19世纪末叶,丁的天蓝解释已被质疑。

瑞利散射

1880年代,瑞利John Rayleigh18421919)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。[1] 

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。[1] 

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JRayleighPhilMagXLVII3751899),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。[1]

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。

爱因斯坦理论

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(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。[1] 

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。[1] 

用瑞丽散射解释肉眼看见的其他颜色

白天,太阳在我们的头顶,当太阳光经过大气层时,与空气分子(其半径远小于可见光的波长)发生瑞利散射,因为蓝光比红光波长短,瑞利散射发生得比较激烈,被散射的蓝光布满了整个天空,从而使天空呈现蓝色;而太阳本身及其附近呈现基本未改变的白色或黄色,是因为此时我们看到更多的是直射光而不是散射光。

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很长的路程,我们所看到的直射光中的蓝光大量都被散射了,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,而云也因为反射太阳光而呈现红色,但天空仍然是蓝色的,只能说是非常昏暗的蓝黑色。如果是在月球上,因为没有大气层,天空即使在白天也是黑的。

天蓝物理学的应用

天空为什么是蓝色?正确的物理解释完成于1910年,迄今一百年余。这个看起来理所当然,实则内藏奥妙的理论,其实一直被应用于我们身边一项越来越重要的技术,也就是光纤通讯,即高锟先生2009年获得物理诺贝尔奖的项目。

高锟先生在他为光纤通讯奠基的第一篇论文(CKaoProcIEE113No71966 2010)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EinsteinSmoluchowski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。

解释我们熟悉的蓝天的不平凡的科学,正在生活的别处散发着异彩。

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

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