天空為什麼是藍的，標準答案也許是錯的！

「天空為什麼是藍色的?」我們印象中的標準答案是:「空氣中會有許多微小的塵埃、水滴、冰晶等物質,當太陽光通過空氣時,波長較短的藍、紫、靛等色光,很容易被懸浮在空氣中的微粒阻擋,從而使光線散射向四方,使天空呈現出蔚藍色。」

這個解釋「天藍」的版本,是在19世紀中葉由英國物理學家丁鐸爾首創的，常稱作「丁鐸爾散射模型」。確實,「波長較短的藍色光,容易被懸浮在空氣中的微粒阻擋，導致被散射向四方。」但它並不是「天藍」的真正原因。1880年,瑞利注意到,根本不必求助塵埃、水滴、冰晶等空氣中的微粒,空氣本身的氧和氮等分子對陽光就有散射,而且也是藍色光容易被散射。所以,空氣分子的散射就可以作為「天藍」的主因。

然而,各個分子有散射,不等於空氣整體會有藍色。如果純凈的空氣是極均勻的,分子再多也沒有「天藍」。就像一塊極平的鏡子,只有折射或反射,而極少散射。在均勻一致的環境中,不同分子的散射相互抵消了。1899年,瑞利寫了一篇總結式的文章《論天空藍色之起源》,開宗明義就說:「即使沒有外來的微粒,我們依舊會有藍色的天。」「外來的微粒」即指丁鐸爾散射所需要的。從此,丁鐸爾的天藍理論被放棄。瑞利散射成為「天藍」理論的主流。瑞利的天藍理論雖然很成功,瑞利的分子無規分布假定也有根據。然而,瑞利實質上還要假定空氣是所謂理想氣體,這是一個不大的、但也不可忽略的弱點。因為空氣不是理想氣體。

1910年，愛因斯坦最終解決了這個問題。愛因斯坦用當時剛剛發展的熵（混亂的度量）的統計熱力學理論證明：哪怕最純凈的空氣，也是有漲落起伏的。空氣本身的密度漲落也能散射，藍色光也容易被散射。密度漲落的散射，不多也不少，正好能產生我們看到的藍天。「天藍」起源物理不是愛因斯坦首創,但最完整的理論是愛因斯坦奠定的。所以說,「天藍」物理學,完成於1910年。瑞利和愛因斯坦的「天藍」理論,是普遍適用的。可以用來解釋純凈空氣中的「藍天」現象,也可以用來解釋純凈的水,純凈的玻璃等液體或固體中的「藍天」現象。

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