谢谢邀请。
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。
微信扫一扫 
