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為什麽天空是藍色的?

天空之所以是藍色的,是因為:“空氣中有不可磨滅的雜質,也就是空氣本身的波動。密度波動對太陽光的散射形成了藍天。”

《天藍》(sky is blue的縮寫)源於物理學,完成於1910。瑞利和愛因斯坦奠定的“天藍”理論是普遍適用的。可以用來解釋純空氣中的“藍天”現象,也可以用來解釋純水、純玻璃等液體或固體中的“藍天”現象。

“天藍”物理好像很吃香。每壹個看過《十萬個為什麽》的初中生都能說出它的“標準答案”:“空氣中有許多微小的塵埃、水滴、冰晶等物質。當陽光穿過空氣時,藍色、紫色、靛藍色等波長較短的顏色容易被懸浮在空氣中的顆粒阻擋,從而將光線散射到各個方向,使天空呈現藍色。”在華人世界,大部分權威的教育科學網站,無論大小,依然采用上述“標準答案”,幾乎逐字逐句。這種“天藍色”的解釋基本上是十九世紀中葉的水平。它是由英國物理學家廷德爾發起的。通常被稱為Tindor散射模型。的確,“波長短的藍光很容易被懸浮在空氣中的粒子阻擋,...而且分散在四面八方”。但不是“天藍”的真正原因。如果說天藍主要是水滴、冰晶等粒子的散射造成的,那麽天空的顏色和深度應該是隨著空氣濕度的變化而變化的。因為當濕度變化時,空氣中的水滴和冰晶的數量會發生明顯的變化。潮濕地區和沙漠地區的濕度差別很大,但是天空都是壹樣的藍。廷德爾散射模型無法解釋。到了19世紀末,丁對天藍的解釋受到了質疑。

在1880年代,瑞利註意到沒有必要求助於空氣中的灰塵、水滴、冰晶和其他粒子。空氣中的氧、氮等分子散射了太陽光,藍光很容易被散射。所以空氣分子的散射可以成為“天藍”的主因。然而,每個分子的散射並不意味著空氣作為壹個整體將是藍色的。如果純凈的空氣極其均勻,就不會有分子多的“天藍”。就像壹面很平的鏡子,只折射或反射,很少散射。在均勻的環境中,不同分子的散射相互抵消。就像在壹個集體紀律性超強的環境裏(比如監獄),每個人獨立散漫的行為都被完全壓縮了。而“天藍”取決於分子的獨立性和不幹擾或少幹擾。為此,瑞利假設空氣不是分子的“監獄”。相反,氧、氮等分子隨機行走,隨機分布。用該模型計算的瑞利定量結果與天藍的性質非常吻合。1899年,瑞利寫了壹篇總結文章《論藍天的起源》,開篇就說:“即使沒有外來粒子,我們依然會有壹片藍天”。“外來粒子”是指廷德爾散射所需要的。從此,Tindor的天藍理論被拋棄。瑞利散射已經成為“天藍”理論的主流。雖然瑞利的天藍理論很成功,但是瑞利關於分子隨機分布的假設也是有根據的。

但瑞利本質上假設空氣是所謂的理想氣體,這是壹個很小但不可忽略的弱點。因為空氣不是理想氣體。1910年,愛因斯坦終於解決了這個問題。愛因斯坦用新發展的熵(混沌的壹種度量)統計熱力學理論證明了即使是最純凈的空氣也會波動。空氣本身的密度波動也是可以散射的,藍光很容易散射。密度漲落的散射,不多也不少,正好可以產生我們看到的藍天。如果空氣是理想氣體,愛因斯坦的結果和瑞利的壹樣。

所以,簡單來說,藍天的成因是:“空氣中有不可磨滅的‘雜質’,也就是空氣本身的波動。密度波動對太陽光的散射形成了藍天。”

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