为什么天是蓝的

蓝天对我笑：为什么天是蓝的

每位父母一生中都会遇到一个绕不开的问题，这个问题来自他们的孩子：“为什么天是蓝的？”长大成人后，我们有时学会了不问这样的问题，或者只是忘记了如何去问。世界上大多数的成年人太多次地看到晴朗蔚蓝的天空，但只有很少人知道天为什么是蓝的。如果你不知道也不要为此烦扰：这个问题困扰了科学家们数百年。如今我们非常确信我们知道了真正的原因，但我从未听说它们在学校里被讲授。更糟糕的是，我发现大量网页对这个问题给出了错误答案。大学的光学与大气物理学教科书在谈及这个主题时给出了恰当的解释，但是谁会想要把那些书摆在家里呢？

好吧，我会，但我是个大怪人。我将以智力正常的人能听懂的方式来解说其中的原理。你将幸运地发现，蓝天背后的原因并没那么复杂，反而很容易解释，甚至对一个5岁的孩子来说也是如此。关于天空呈蔚蓝色有一些错误的解释，让我们就从这些错误的解释开始吧。

最普遍的观点可能是这样的：因为天空反射了海洋的蓝色，所以天是蓝的。不过瞬间的反应（哈哈）显示这不可能是正确的：这要是真的，我们在海上航行时看到的天空就会比在陆地上看到的更蓝。但实际情况并非如此。比如，在堪萨斯州^[1]——从最近的重要水体到此作一次有益健康的徒步旅行——与在从美国到英国的远洋客轮上所看到的天空是一样蓝的。

另一个很普遍的错误答案是空气中的尘埃把来自太阳的蓝光散射到各处。^[2]正像我们将看到的，这个答案很接近，并且肯定比反射蓝色海洋的解释更好，但尘埃并不是原因。

正确答案——如果你想要了解细节——稍有一些些复杂。我们在最后可以为约5岁的孩子简化一下答案，但先来看看完整的问题。

当翻检天文学中的大部分问题或是自然科学其他领域的问题时，我们通常都会发现，要得到解答，需要从两条独立的线索着手。天空的颜色也不例外。为了弄明白蓝色，我们实际上得了解三件事：阳光是什么，它如何在我们的大气中传播，以及我们的眼睛如何工作。

阳光在离开太阳表面时是白色的，当我们获悉这一点时可能会感到吃惊。就这一点而言，科学家们的意思是说，阳光其实是多种颜色光的和谐的混合。单独的颜色像红、绿、蓝都是由太阳表面附近复杂的物理条件产生的。太阳最外层搅动翻腾的气体产生了所有不同颜色的光。但当它们混和在一起时，就产生出在我们的眼睛看来呈白色的光。我们可以亲自实验来证明这一点：把一个玻璃棱镜举到一束阳光前。当阳光穿过棱镜，光就会被“分解”为原色。这一颜色分布被称为光谱。

同样的事情在暴风雨后也会发生。飘在空中的雨滴就像小小的棱镜，将白色的阳光分解为光谱。这就是我们可以看到彩虹的原因。彩虹中颜色的次序永远是相同的：红色在外，然后是橙、黄、绿、蓝、靛，最后是紫色——它构成了整个弧中最里面的曲线。这一分布可能很难记，因此在教学时通常会用这些颜色的首字母缩写词ROY G BIV^[3]作为它们的通称。这也是我记住它的方法，因此肯定有效。

这些颜色全部同时来自太阳，但是在阳光射向地面的过程中发生了一件有趣的事。空气中的氮分子（N₂）和氧分子（O₂）能拦截光。光子——光粒子的奇怪的名字——几乎像小小的弹球，每当碰到分子就会被弹飞并向不同方向跑去。换句话来说，氮分子和氧分子就像弹球机中的缓冲器一样，散射了向它们射来的阳光。

19世纪中期，才华横溢的英国物理学家瑞利勋爵（Lord Rayleigh）发现了一个奇怪的事儿：分子对光的散射取决于光的颜色。换句话来说，红色光子被散射的可能性远远小于蓝色光子。如果你追踪来自太阳的一个红色光子和一个蓝色光子在空气中的轨迹就会发现，蓝色光子会迅速弹离原初路线，而红色光子则是一路绿灯地轻快跑向地面。因为瑞利勋爵发现了这一效应并计算出定量结果，我们就称该效应为瑞利散射。

那么，这种效应与天空的蓝色有什么关系呢？假如你是一个漂浮在大气中的氮分子。不远处就是另一个和你一样的分子。现在让我们假设有一个来自太阳的红色光子跑向你。正像瑞利所发现的，你几乎不会对红色光子有什么影响。它完全不管不顾你和你的朋友，并一路笔直地跑向地面。在这个红光的例子中，太阳就像一个手电筒——一小片天空中一个明亮的红色光源。太阳发射出的所有红色光子笔直地从太阳跑向地面上的观察者。

现在让我们想象来自太阳的一个蓝色光子。它撞到你的朋友身上，被弹离，并且碰巧向你跑过来。在你看来，这个光子来自那个氮分子的方向而非太阳。你的分子朋友看到它来自太阳的方向，但在你看来不是，因为那个光子在撞到你的分子朋友之后改变了路线。当然，那个光子在撞到你之后也会弹离你，从而沿另一个方向离开。第三个氮分子会看到，那个光子是从你这儿来的，而非来自太阳或第一个分子。

现在，你又恢复了人的身份，站在地面上。当一个来自太阳的蓝色光子被散射到四周时，在一个瞬间，它将会最后撞到离你不远处的某个空气分子，完成最终的散射，进到你的眼中。在你看来，那个光子看上去似乎来自最后那个分子，而非来自太阳的方向。这些分子遍布于天空，而太阳只在天空的一小片区域内。由于蓝色光子可以来自所有分子中的任何一个，其结果是蓝色光子看起来好像来自天空的任何方向，而不仅仅是太阳。

图2-1　因为红光的波长相对较长，它们穿越地球大气的行程相对来说没有受到阻碍。而蓝光的波长很短，当光子被空气中的分子散射，就会四处冲撞。在到达人眼时，它们看起来好像来自天空的四面八方，从而使天空看起来是蓝色的。

这就是为什么天空看起来是蓝色的。那些蓝色光子从四面八方而来会聚到你的眼睛，因此在你看来好像是天空本身发出蓝光。相比于蓝色光子，来自太阳的黄色、绿色、橙色以及红色的光子被散射得相对少得多，因此它们直接从太阳到达人眼中，而没有遭遇这些散射。

至此，你可能自然会问，为什么天空不是紫色的。毕竟，紫光因折射而发生的偏折要比蓝光大，事实上，紫光的确更容易被散射。天是蓝色而不是紫色的，这有两个原因。一是太阳所发出的紫光没有蓝光那样多，因此紫光天生就少，从而使天空更蓝而不是更紫。另一个原因是人眼对蓝光比对紫光更敏感。因此，不只是来自太阳的紫光更少，而且人们也更不容易注意到它。

其实，我们可以在自己家里安全地检验这一散射的观点。取一玻璃杯水，加几滴牛奶进去。将牛奶与水融合，然后打开手电筒，用明亮的白色光穿过这杯混合液体。如果站在与手电筒相对的杯子另一侧，你会发现光束看起来更红一些。而在杯子的侧面，会发现牛奶更蓝一些。手电筒发出的蓝色光子因被散射而偏离光束的方向，从杯子的侧面透出来，从而使光看起来更蓝。而光从杯子一侧经过长途跋涉跑到另一侧时蓝色光子已耗尽，因此它看起来会更红一些。

这也可以用来解释太阳落山时为什么是红色的这一很普通的现象。生活在像地球这样的大圆球上，一个少为人知的情况是，当太阳落山时，光所穿过的大气层也越来越厚。大气层依循地球表面的曲线分布，因此，当天体位于头顶上方时，所发出的光穿行于大气层中的路程要比天体位于地平线附近时短得多。

当太阳在地平线上时，阳光比白天太阳高挂在天空时穿过更多大气。这意味着阳光一路上会遇到更多分子、更多散射。比如，尽管蓝光要比黄光散射得更多，但黄光也散射了一些。当太阳在地平线上时，散射物质的数目增加很多，因此当阳光到达人眼之时，就连绿光和黄光也会被散射到天空各处。由于此时阳光中的蓝色、绿色和黄色的光都被散射掉了，因而只剩下红光（有着更长的波长）穿过大气。这就是为什么太阳在落山时会是壮丽的橙色或红色的，以及为什么天空本身在接近地平线的地方会在同一时间改变颜色。太阳升起时看起来也是如此，但日落时醒着的人要比日出时醒着的人多，因此我们会更多地在晚上看到这一现象。由于月球反射阳光而发光，因此它在地平线上时也会变色。当天气条件好得异乎寻常时，它会显露出奇异的血红色。

当大气中充塞着更多杂质时，这一现象就会增强。有时候，在剧烈的火山爆发之后相当一段时间里，日落都会非常壮观。虽然火山喷发事件说不上是什么好事，不过多年里它们的确会呈现出特别的夜空景象。

图2-2　当我们望向地平线时，中间要经过的大气比望向头顶正上方时更厚。就连绿色和黄色的光子也会在穿过更厚的大气层时被散射了，这使得太阳在落下和升起时看起来是红色或橙色的。

弯曲大气层的另一种影响你肯定也看到过。你是否注意过太阳在地平线附近时看起来好像被压扁了一样？大气，就像一滴水，会使光因折射而弯曲。光的弯曲量取决于它所穿过的大气的厚度。大气越厚，弯曲越大。当太阳在地平线时，从太阳底部发出的光将比来自太阳顶部的光穿过更厚的大气。这使得从太阳底部发出的光发生更大的弯曲。大气使光向上弯曲，朝向太阳的上半部，从而使太阳看起来像压扁了一样。它不会左右压缩，这是因为从太阳左半部和右半部发出的光所要穿过的大气厚度是相同的。当落下时，太阳看起来在平行方向上是正常的，而在垂直方向上则不同。位于地平线上的太阳是压扁的、明亮的和红紫色的，令人难以忘怀。

现在，关于天为什么看起来是蓝色的，我们得到三个原因。首先，太阳发出各种颜色的光。其次，大气散射太阳的蓝光和紫光最多。第三，太阳发出的蓝光多过紫光，并且我们的眼睛对蓝光更为敏感。

在确定了天空的颜色之后，我们就可以处理一个似乎很让人挠头的相关问题：太阳的颜色。

如果有人问，我会说太阳是黄色的。我想大多数人也会这么说。但是我们刚刚用了大量的篇幅来表明阳光其实是白色的。如果太阳是白色的，那为什么我们会认为它看起来是黄色的呢？

上面这句话的关键是“看起来”这个词。这是一个充分有力的检验：如果太阳真的是黄色的，那么云看起来也会是黄色的。这些云均匀地反射了照在它们身上的所有颜色，因此如果它们看起来是白色的，那么太阳必定是白色的。不相信我？来做个简单的检验吧。走到室外，举起一张白纸。它是什么颜色？没错，它看来是白色的。这与云看起来是白色的原因相同。白纸反射阳光，而阳光是白色的。

这将我们带回到原初的问题：为什么太阳看起来是黄色的？

这里我不得不绕道而行了。个中原因实际上并没有彻底弄清楚。有人认为这可以归因于蓝色的天空。如果蓝光被散射而偏离直射方向进入人眼，那么由此形成的颜色看起来就是微黄色的。尽管蓝光的确被散射，也不足以被散射到使太阳看起来很黄。即使有大量的太阳蓝色光子被散射从而使天看起来是蓝色的，那也只是太阳全部蓝色光子中的一小部分。大多数的蓝光笔直地跑向你眼中，而并未受到空气分子的阻碍。因此，使天空呈现出蓝色的那部分相对较少的蓝色光子，事实上并不会对太阳的固有颜色产生足以引起注意的影响。

另一个普遍的观点是，太阳看起来是黄色的，是因为我们将它与蓝天相对比。研究表明，我们能感知到颜色，不仅因为光的内在特性，还因为我们会将它与我们同时看到的某种别的颜色相比较。换言之，一束黄色的光假如放在蓝色背景下来看会显得更黄。不过，如果这就是为什么太阳看上去是黄色的原因，那么云看起来也会是黄色的，因此，这也不可能是正确的解释。

还有另一种可能性。当日上中天，你绝不可能直接看它。它太亮了。人眼自动避开它且冒出眼泪，从而很难直视太阳。人只能用余光看太阳。毫不奇怪的是，在这样的条件下，颜色会稍有失真。

如前所述，日出和日落时，由于大气中杂质的含量，太阳看起来会格外地偏红、橙或黄。而且，光被大气极大地过滤，这使太阳看起来暗淡无光，完全可以直视。因此一天中我们能清楚看到太阳的唯一时间，就是它低垂于天边时，即使不那么巧合，那时太阳看起来也更黄或更红。这在我们所感知的太阳颜色中也起到了重要作用。由于太阳在我们实际上能注视它的唯一时间看起来是黄色的，我们便记住了它的这般模样。这个观点很有意思，虽然我有所质疑。太阳在地平线发出红紫色或红色的光，而不是黄光，这个时刻是我记得最清楚的，那么为什么我不认为太阳是红色的呢？

据说有些人主张太阳看起来的确是白色的，但我不晓得是否他们知道阳光被认为是白色的，并哄骗自己相信它看起来就是白色的。对我来说太阳看起来仍然是黄色的，而且我也没糊涂到那份儿上。

显而易见的是，太阳还有很多东西是我们尚未看到的。

因此最后，我要再问一个搞怪的问题：在彩虹的所有颜色中，太阳制造得最多的是哪一种呢？我们知道，太阳产生的紫色比蓝色少；确切地说，从太阳发出的紫色光子比蓝色光子少。但是哪一种颜色最强呢？

答案是：绿色。这真让人吃惊！那么为什么太阳看起来不是绿色的呢？因为太阳不是只发出绿光而是完整的光谱。它只是产生的绿色比其他颜色更多。当它们混合在一起时，我们的眼睛还是会感觉到光是白色的。

或是黄色。随你挑吧。

喔，我一分钟前扯了谎；我还有另一个问题。如果天空不是因为反射了海洋的颜色而成为蓝色，为什么海洋是蓝色的？它们反射了天空的颜色吗？没有。当然，它们的确反射了一点；它们在阴天看起来更偏青灰色，而在晴天看起来更蓝。但是真正的原因更为微妙一些。水可以非常高效地吸收红光，这一点已经得到证明。当你向深水打出一束白光，所有的红光都会被水吸收，只能让更蓝的光通过。当阳光照进水中，有些光会照到更深的水中，有些则会反射回到我们眼中。反射光中的红光被水吸收了，这使它看起来更蓝。因此，天是蓝色的是因为它散射了太阳发出的蓝光；而海洋看起来是蓝色的，因为蓝光是它们放行的唯一一种色光。

***

在这一部分的开头，我向你许诺会把这一切搞得清清楚楚，甚至能向一个5岁的孩子解释明白。如果一个小孩问你为什么天是蓝的，你可以看着他或她的眼睛解释说：“这是因为包括瑞利散射在内的量子效应，以及我们视网膜中缺少接收紫光的组织。”

哦，这不可能管用。事实上可以这样解释给孩子们听：从太阳发出的光就好像树上落下的东西。像树叶这样轻一些的东西会吹落得到处都是，而像坚果这样重一点儿的东西则会直落到地上而不会散落到四周。蓝光就像叶子，飘得满天都是。红光就像重一点儿的物体，它们会从太阳直落到我们的眼中。

即使他们还是不懂，没关系。告诉他们，从前，并不很久以前，没人知道天为什么是蓝的。一些人很有勇气，敢于承认他们不懂，并且自己着手去弄清这个问题。

决不要停止问为什么！关于最简单事物的伟大发现常常都是以这种方式做出的。

【注释】

[1]位于美国中部。——译者

[2]这一解释最早是英国物理学家丁铎尔（John Tyndall，1820—1893）提出的，通常称作丁铎尔散射模型。需要指出的是，的确如丁铎尔所提出的那样，波长较短的蓝光，容易被悬浮在空气中的微粒阻挡，向四方散射。但这并不是天蓝的真正原因。英国物理学家瑞利认为天蓝的原因来自空气分子的散射，并在1899年完成了论文《论天空蓝色之起源》。瑞利的模型是科学界后来广为接受的对天蓝的解释，这也正是本书作者将在下文中所阐述的内容。——译者

[3]即red红、orange橙、yellow黄、green绿、blue蓝、indigo靛、violet紫。——译者