光学领域有什么常见的常识性错误?


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今天我们来说一说蓝天。问到“天为什么是蓝色的”这个问题,稍微有些光学知识的朋友都会回答,因为大气分子对光具有散射作用,而散射的强度与波长的四次方成反比,这就意味着波长越短散射作用越强。

这样一来,长波长的光较为顺利地继续沿原路径传播,短波长的光则被散射到四面八方。

这样一来,就形成了蓝色的天空。而我们直视太阳的时候,则会发现太阳呈红黄色,正是由于短波长光被大量散射的缘故。可见光波段其实紫色光比蓝色光波长更短,但是由于太阳光谱中蓝光波段比例比紫光波段更高,因此占到了主导作用。

由于大气分子对光的散射作用是瑞利首先发现并研究的,因此这种散射又被称为“瑞利散射”。所以关于“天空为什么是蓝色”的问题,也可以简单地用“瑞利散射”来解答。


以上就是通常情况下对“天蓝”问题的回答,大多数情境中这种回答已经足够,包括我自己撰写相关科普文章时,也都是到此为止。但这个题目既然要我们较一下真,那就不能只停留在这种程度的解答了。

实际上,瑞利在 1899 年解答天蓝问题的论文中(J.Rayleigh,Phil.Mag.XLVII,375,1899),除了研究了瑞利散射,还有一个非常重要的前提假设,那就是大气分子在做无规则运动,整体是不均匀分布的

如果气体是绝对均匀分布的气体,那么会出现什么情景呢?即便每个分子都发生了瑞利散射,将短波长光散射到偏离原来传播路径的四面八方,但是由于气体分子分布绝对均匀,因此光会再次被散射,而大气分子量极为巨大,这种几乎无休止的散射最终会导致这种散射作用几乎被彻底抵消掉,根本无法形成如此明显的“蓝天”

因此瑞利提出了一个假设,那就是大气分子随机运动,整体的分布其实并不均匀,这样一来很多光被散射后就不会经历无休止的散射过程,甚至在一定程度上可以认为不同分子之间的散射作用互不干扰。如此一来便能够形成蓝天。

瑞利在 1899 年提出的“大气分子不均匀分布”只是一种假设性的前提描述,并没有数学推导。真正让这种假设称为严格理论的,则是我们熟悉的爱因斯坦。爱因斯坦根据“熵”的相关理论,在 1910 年提出,由于密度随机涨落的存在,哪怕最纯净的大气中,也会随机出现无数分布更为密集的“分子团”,导致大气整体分布并不均匀。爱因斯坦给出了严格的数学推导,彻底补齐了“天蓝”的相关理论解释。

因此要完整回答“天空为什么是蓝色的”这一问题,需要同时运用瑞利散射和爱因斯坦提出的密度涨落理论。虽然从结果上来看,爱因斯坦对天蓝的解释和瑞利给出的解答是完全一致的,但是严格的数学理论意义巨大。

例如高锟在分析光纤波导的论文中,就曾经利用过相关理论(Kao K C, Hockham G A. Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies[C]//Proceedings of the Institution of Electrical Engineers. IET Digital Library, 1966, 113(7): 1151-1158.),如下图所示。

在分析光纤波导能量损失时,有一个重要部分就是散射作用。高锟指出,散射主要有四个方面的因素导致,对于晶体材料,结构缺陷等因素影响较大;但对于光纤这种无机非晶体材料,随机涨落则起到了关键作用

最后感慨一句,每个孩子都能问出“天空为什么是蓝色”这样的问题,但对这种看似简单的问题的解答,却推动了物理学的长足进步,并最终应用于造福人类社会的关键技术中。

不得不说,物理学还真是迷人呢

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