【知识】天空为什么是蓝的,标准答案也许是错的!

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“天空为什么是蓝色的?”我们印象中的标准答案是:“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。”

这个解释“天蓝”的版本,是在19世纪中叶由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，导致被散射向四方。”但它并不是“天蓝”的真正原因。1880年,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。1899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,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：哪怕最纯净的空气，也是有涨落起伏的。空气本身的密度涨落也能散射，蓝色光也容易被散射。密度涨落的散射，不多也不少，正好能产生我们看到的蓝天。“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。

来源于：知识就是力量

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