天空为什么是蓝的?你可能不知道,最终是爱因

天空为什么是蓝的?这个问题并不简单。千百年来,人们为此进行了不懈的努力。自从牛顿分解白光获得单色光以后,对“天蓝”的研究也逐步步入现代科学的轨道。而直至二百多年后,爱因斯坦于1910年给出了“标准”答案,这个问题才告一段落。


最早对这个问题进行系统解释的是英国物理学家丁达尔。他通过研究发现,当光线照射到粒子时,如果粒子尺寸小于光的波长,则光线会产生散射。丁达尔因此认为阳光中波长较短的偏蓝光被空气中极细微的尘埃、水蒸气等散射,呈现蓝色。


这个解释曾风靡一时,但又有一个不可克服的矛盾,不同空气环境的地区,比如沙漠和沿海湿度差别很大,但天空的蓝色并没有本质区别。这就让人很困惑。事实上,我们今天也知道,空气中再细微的杂质,其尺寸相比光波也是庞然大物,不可能产生丁达尔散射。就像现在的雾霾天,根本“散射”不出蓝天,只有灰蒙蒙的一片。


由于丁达尔解释存在的固有问题,英国物理学家瑞利又重新提出了一套理论。他认为,既然天蓝色和空气杂质无关,那么对光线散射产生决定作用的应该发生在分子层面。他通过研究,果然发现空气中的主要成份氮气和氧气均会对阳光进行散射,而且在散射过程中,气体分子对短波吸收能力更强,加之人眼对蓝光相对敏感,因此天空呈现蓝色。


然而,单个分子的散射,并不意味着天空整体会呈现出蓝色。如果纯净的空气是极均匀的,那么分子再多也不会有蓝色,因为各个方向的散射会互相抵消。为此,瑞利对空气的性质进行了规定,认为气体分子可以无规行走、自由分布。也就是说,瑞利引入了空气是理想气体的假设。瑞利依据此模型计算的结果与天蓝的性质符合得很好。瑞利的理论一时又成为主流。


然而,引入空气是理想气体的假设是一个十分危险的举动,因为“理想气体”与“质点”、“刚体”等等概念类似,严格讲只存在于理论中。天蓝的问题仍然没有得到完整的解决。


在这最关键的时刻,伟大的爱因斯坦出场了。那时热力学刚刚提出“熵”的概念。但是“熵”是什么,人们并没有清醒的认识,只是简单将其作为混乱程度的一种度量,而混乱本身是由外界驱动的。然而,爱因斯坦敏锐地意识到问题可能并没有这么简单,“熵”或许是驱动自然发展变化的根本原因之一。他利用熵的概念,结合统计热力学概念革命性地提出哪怕最纯净的空气,自身也是有涨落起伏的。这种涨落造成的密度变化,正是蓝光散射的原因。爱因斯坦通过理论计算,结果也与天蓝的性质十分吻合。最关键的是,他不需要理想气体这个假设。


至此,天蓝的争论告一段落,爱因斯坦最终给出了标准答案。但是否就算绝对正确了呢?不知道,科学还会向前发展,未来还会发生什么事真的很难说。


还回到爱因斯坦的理论,他全部解释的核心就在于“熵”。这是一个神奇的概念,蕴含着宇宙深刻的秘密。按照“熵”的理论,宇宙是按“熵增”的路径不断发展,因而从有序不断走向无序,也就是说,我们这个宇宙是趋向于混沌的。然而爱因斯坦深刻地洞察到在宇宙“熵增”趋向混沌的宏观本质外,在局部仍然存在着按一定概率涨落的现实,也就是说局部仍存在着由无序走向有序的可能,这种“熵减”同样会体现出一定的宏观特征。这种涨落起伏的混沌变化是事物发展变化的重要线索,它制约着我们的宇宙在一定条件下在有序与无序之间的往复回转。伟大的爱因斯坦不但深刻地洞察这一现实,而且精确地进行了概率计算,并有效解释了物理现象。


沿着这样的思路,海水为什么是蓝的,也获得了解释。长期以来,人们认为是因为海水反映了天空的蓝色。然而,根据爱因斯坦的理论,海水的蓝色是由于水分子按“熵”的规律涨落起伏导致密度变化,进而散射蓝光所致,这也为现代科学研究所进一步证实。某种程度上,最纯净的水应该就是蓝色的。进一步的,纯净的玻璃内部也存在一定的有规律的涨落,因此也存在光的散射,这已经成为光学的一个基本定律。华人物理学家高锟也因为这个领域的研究获得诺贝尔物理奖。


天空为什么是蓝色的?这样一个千百年来普通得不能再普通的现象,竟然让这么多人为之付出了极大的心血。科学就是这么迷人,这么有魅力,即使对一个再普通不过的现象的研究,也往往会发现其中蕴含的深刻的宇宙的原理。


略显遗憾的是,目前很多科普书籍,甚至教材中介绍天空为什么是蓝色时,说法仍是空气中的微粒、水蒸气等散射了蓝光,等等。可以说存在着一定的误导,因此也希望大家多多传播本文,告诉大众科学合理的解释,并且让更多的人领悟这背后存在的深刻的宇宙规律。