天空为什么是蓝的

不妨找一个明媚的晴天抬头看一看天空——之前你肯定已经这样做过无数遍了。

但是，现在请认真地盯着天空。

这是多神奇的一件事啊——乍一看，你也许会把天空当成是实实在在的天花板，就跟古人的思想一样。当古人说到“天穹”时，他们真的是把天当成了一个屋顶。当然，在这蓝色深空背后，并不存在什么确实的顶棚。你所看到的是一片明亮的薄雾，一层透光的阴霾，包围着地球向阳的那一面，看起来就像一片朦胧的隐形眼镜。阳光可以透过这层镜片，流星也可以刺透它而不会留下破洞。在头顶上方不远的地方，我们还可以时常清晰地看到鸟儿、白云、飞机在这层透明的介质里穿过。那么，天空的蓝色是从哪儿来的呢？

这个问题恐怕在语言刚刚形成的时候就出现了，但现代科学能够明确地回答这个问题还有赖于近代很多研究者的工作，其中就包括另一位诺贝尔奖得主——阿尔伯特·爱因斯坦。爱因斯坦是著名的和平爱好者，也是世人皆知的原子弹之父，一生科学发现无数，但都没有他的相对论流传得那么广。1910年，他的朋友哈伯正在尝试将氮作为生产氨气的原料，与此同时爱因斯坦也发表了一篇论文，揭示了氮气在让天空产生颜色的过程中所发挥的作用。

在理解这一作用之前，我们首先要回忆一个重要的事实，那就是一般空气的气态物质中，氮气的比例达到了78％。与组成剩余绝大部分大气的氧气相同，氮气分子也是由两个同样的原子——也就是氮原子——构成，但是氮气分子中的这对孪生原子却与大气中其他成分有着诸多不同，无论是看上去还是实际表现。

当你呼吸的时候，双原子的氮气会随着氧气一道扩散到你的身体中。如果你是一名初级潜水员，你一定知道，在水下呼吸高压空气时，会让更多氮气溶解到血管中，如果没有经过减压就迅速浮到水面，它们就会形成气泡从血液中逸出。这些气泡可能会导致严重的关节疼痛，阻断血液循环，或是损伤神经系统，这些可能致命的病症就是广为熟知的“减压病”。不过多数时候，你的细胞都会无视这些氮气分子，把它们看成是无关紧要的临时过客。虽然你需要氮原子用于构建并维持你的身体，但你却不能像吸入氧气那样，简单地靠吸入氮气来满足供应。你只能通过吃来补充，为了让它变得可以食用，你就只能依赖其他生物了。

这个问题的原因在于，对你而言，氮气转化为生物性氮需要更为有效的转化过程，就如同花蜜转化为蜂蜜一样。即便你的肺里充满了氮气，也仍然有可能因食物中缺乏氮元素而死。可见，将氮气转化为可用之物还需要强有力的工具，而这种工具只为少数物种拥有。这些幸运儿握着这把可以挖掘无尽宝藏的钥匙，而地球上包括人类在内的其他生物都需要依赖这些原子宝藏生存。

导致这一元素如此难以获取的原因，也正是天空呈现蓝色的原因之一。氮元素似乎更喜欢和同类组合在一起，至少在它最常见的形态中是这样的。大气中的其他分子也会通过共享一个或多个电子形成共价键的方式两两结合，但不会像氮气这么牢固。氢气分子是依靠单键组合，氧气分子则是双键，但氮气中的两个原子却是采用超强的三键结合在一起，因此一旦它们形成以后，就很难再被分开。如果两个好友可以被称为“穿同一条裤子”，那么氮气中的两个氮原子就如同热恋的情侣一般，从头到脚都扣在一起。

原子通过周围的电子云结合成分子，氮气也不例外；但电子云并非是完全固定不变的，如果给予这样的分子剧烈的震动，那么围绕在原子周围的电子云也会轻微扭曲，明媚的早晨，当太阳升起时，这一效应会十分显著。就像草原上的蜜蜂开始一天劳作前那样，空气分子醒来之后也会产生“蜂鸣”，只不过这种蜂鸣不是声波，而是光波。

我们头顶这个多氮的天空呈现的颜色可不仅仅是一幅背景——它还从生理上影响着你。有关光照对人类生理影响的最新研究发现，当人类视网膜暴露在蓝光之下时，会抑制褪黑素的产生过程，而褪黑素是一种诱导睡眠的激素。在古代，你的祖先可能就是因为对这种透过“天空滤镜”照过来的阳光有反应，才会在白天下意识地保持警惕，这也就是睡眠研究人员所称的“不可见的视力”。然而，如今一些专家也认为，电脑屏幕、电视和其他类似钟表底光的人工照明发出的蓝光却可能造成很多疾病，例如抑郁、失眠以及其他与疲劳相关的病症。

要解释光照下的天空为何是蓝色，我们不妨将空气中的分子想象成一群看不见的微型蜜蜂——当然是不会蜇人的那种。在它们之中，你可以同时看到三种方式的运动正在进行着：整个蜂群在风的吹动下会整体移动，而单个“蜜蜂”则会因为混乱的热运动飘忽不定，但天空颜色主要来自于第三种运动——空气分子内部的运动，就好比蜂鸣也是蜜蜂自己身体发出来的一样。

蜂鸣声是由蜜蜂的肌肉快速振动而产生，翅膀拍击、打落花粉或是在寒冷的早晨使身体变暖，能量都来自这种振动。如果你的手心落了一只健康的蜜蜂，也会因这种振动而感到发痒。分子发射光线就如同蜜蜂发射声波，只不过利用的是电子而非肌肉。当阳光照到氮气分子时，作为反应，分子的电子云也会有节奏地跟着扭动，因此，研究这一无声“蜂鸣”的物理学家有时也会用音乐术语“谐振子”来指代分子。最近刚好有一位专家跟我描述了这一现象，还严厉警告说千万别把这一段解释砸了。

“很多人都搞错了，”克雷格·博伦（Craig Bohren）跟我说道，“甚至不少科学家也是。只有你不再错误地声称天空只是蓝色或者主要是蓝色，你才是对的。”

这位德高望重的大气科学家已经从宾夕法尼亚州立大学退休。在给了我一个令人吃惊的警告之后，他开始带着我领略天空呈色的基本原理。

“大气主要由氮气与氧气分子构成，它们的直径比可见光波长要小得多，因此当阳光照射过来后，它们便会将阳光散射到四面八方。实际上，它们会散射所有颜色的光，只不过波长较短的光会更为明显。”所谓波长较短的光，也就是蓝光，但也包括紫光。所以现在问题来了：为什么天空看上去不是更接近紫色？

他咯咯地笑了，接着说道：“其实，某种意义上讲就是紫色的，只是你看到的有所不同。你的眼睛对紫色的敏感程度不及蓝色，而你的大脑也不会像光谱仪那样分析光线。你抬头看到的天空，有一部分已经过了你自己的处理，然后只是用‘蓝色’这个词代表你观察到的颜色。”

根据博伦的测量，在晴朗的中午，天空光中只有1/5的光线是真正的蓝色。“甚至爱因斯坦在研究光的散射时都忽略了这一细节，因为他从未真正看过天空光的光谱。”

那么，究竟空气分子是如何散射光线的呢？

他停顿了一下，说道：“如果你确实想了解这一点，那就需要先弄清楚电子云在被快速振动的光波击中后，会有什么样的反应。电子相对于原子核的运动会产生电磁扰动，其波长或者说其颜色与入射光的波长有关。空气分子同时会与很多光波产生这样的作用，但它们对蓝光与紫光的散射作用比其他颜色——比如说红色或黄色——更明显。”

换句话说，氮气分子可以对全波长的太阳光进行散射，就好比如果你有朋友在音乐厅偷偷地给你打电话时，手机里也会传来很多交响乐的声音一样。然而手机上的微型喇叭在传递小提琴的高音部分时，会比低音鼓的浑厚声响更为清晰；大气中的细小分子也是如此，它们会更热衷于散射短波长的光，比如，蓝光和紫光。我们对天空中“音更高”的紫色会有一些音盲，但我们还是可以从同样灿烂的蓝色中感受到很多乐趣。

在低层大气中，每一秒钟都会发生几十亿次散射过程，考虑到人类视力的局限性，最终你所能感知的，便好像是一群发着蓝光的分子“蜜蜂”。大气散射的影响巨大，它使你不能在白天看见星星，也是它使你可以在太阳落山很久之后还能看到书上的字。在我们头顶之上的这个看似不透明的穹顶，远不止是一层被动的天花板：它因自己的原子发出的光而发光。不过到头来，天空之所以呈现蓝色还是由你的感官决定的。