太陽：天空的調色師

2016年12月，中科院高能所舉辦載物杯科普徵文比賽，來自全國各地的小夥伴們踴躍參加，本次活動最終評選出15篇獲獎作品。現將部分作品與大家分享。

■張宇軒/文

一天我們的某位讀者給他的未婚妻挑選戒指的時候，他也許會注意到到鑽石在白光照耀下呈現出絢麗的顏色，不過可能更令他關心的則是那個小小的，不太起眼的價格標籤吧。寶石對於光線的這一小魔法早在中世紀之前便被愛美之人所了解。那時候大家都認為太陽發出的白色光線是最「純潔」的光，而我們所見到的各種顏色卻是因為某種原因而發生變質的光，是不「純潔」的。直到十七世紀中葉以後，牛頓通過實驗研究了太陽光的本質，完全顛覆了人們對光的顏色的認識。

1666年，剛剛從三一學院畢業的牛頓便展現出了他過人的才華：通過一塊三稜鏡，牛頓第一次向世人揭示了「白色」的真諦：白色的太陽光其實是由不同顏色的光組成，而光線的顏色完全取決與它的波長。原來，不同波長的光信號，在視網膜上存在著分別對紅（波長約在564–580納米之間）、綠（534–545納米）和藍（420-440納米）三種光線的波長特別敏感的三種視錐細胞，當不同波長的光線入眼時，引起敏感波長與之相符或相近的視錐細胞發生不同程度的興奮，於是在大腦產生相應的色覺；三種視錐細胞若受到近似同等程度的刺激，則產生白色色覺。所以說，光是我們能夠看見的原因，光的不同波長則使事物呈現不同顏色。在牛頓之後的幾個世紀里，人們意識到，光，或者更準確的稱為「可見光」，只不過是是電磁波的一種，通常指的是人眼能分辨的390-780納米這個波長範圍。從本質上講，它和家裡常用的微波爐、或者手機通訊時發出的信號區別只是波長不同罷了。

現在你可以想像，清晨透過窗帘喚醒你的幾縷陽光，就如同一篇包含了無數音符的交響曲：低音部是波長長、能量低的紅外線，中音部是可見光，高音部分則由能量最高的紫外線來擔當。如果某個好奇寶寶統計了一下這篇交響曲中不同「音符」的數量並按照低音到高音來排列，我們就能得到一張左邊這樣的圖。就如同五線譜一樣，科學家稱之為「神秘太陽光原力の譜」（好吧其實就是光譜），並藉此來感知恆星的奧義。其中橙色的部分就是人眼能夠分辨的頻段，也恰好囊括了這張光譜的「譜生巔峰」。在漫長的進化歷史中，正是為了適應太陽光譜的需要，我們的先祖形成了三原色為基準的視覺。因此可以毫不誇張的說，是太陽賦予了人類色彩斑斕的世界。

雖然自然界中的大多數物體都可以反射光，太陽這位調色師的靈感與才華，卻最能體現在地球大氣層這塊幕布上：在沒有月光的夜晚里，天空只是點綴著星光的墨色；黃昏時分，天空半遮著紅霞；白日當空之時，卻是湛藍的。宋代詞人張元干《水調歌頭》詞就有云：「萬里碧空如洗，寒浸十分明月。」不僅僅是藝術家，物理學家們很早就開始為天空顏色的成因所痴迷。事實上，如果人在沒有大氣的月球上，即使是白晝，天空也是漆黑一片的，所以必定是太陽與地球大氣層中的某些成分發生了作用。19世紀中葉，英國物理學家丁達爾對於藍色的天空給出了第一個解釋：「空氣中會有許多直徑與可見光波長相當的塵埃、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，」該解釋也即是丁達爾散射現象。光的散射與人們比較熟悉的反射不同，是指由於光線與其所穿過的媒介物的粒子互撞偏離原方向而分散傳播的過程，就如同一桌被撞散了的撞球一樣。但該解釋有一個致命的問題，那就是如果真的天藍跟空氣中的小水滴等有關，由於潮濕地區的水份含量更高，天空在濕潤的熱帶應該比沙漠地區更藍。可事實上晴朗的天空在各個地區都是近似一樣藍，丁達爾的解釋於是漸漸被人質疑。

19世紀80年代，英國物理學家瑞利提出了一種新的散射：瑞利散射。瑞利散射發生的條件，不再是與可見光波長相當的小液滴，而是小得多的氣體分子。他指出，正是因為這些分子的存在，即使是最純凈大氣條件下，我們也能看到藍色的天空。在他的描述中，無數五顏六色的光子如同得到命令的千軍萬馬一樣從太陽殺向地球，但大氣層中密度漲落的氣體分子則是阻擋著這股洪流忠誠的衛兵。一部分光子被大氣中的這些氮、氧等分子「吃掉」然後再以一個「隨意」的角度「吐」出來。更有意思的是，如左圖所示，這些氣體分子偏好短波長口味的光子—藍色和紫色等，而對於紅色和黃色卻往往放行。以入射的太陽光中的藍光(波長為425納米)和紅光(波長為650納米)為例，當光穿過大氣層時，被空氣微粒散射的藍光（~22%）約比紅光（~4%）多5.5倍。至於紫光雖然波長比藍光更短，卻大部分被臭氧層所隔絕，而不能達到人眼，於是整個大氣中便呈現出蔚藍色了。至於早晚時分的太陽為什麼是紅色的，則是因為早晚光線經過路程較長，大部分藍色光都被散射掉而只留下了紅光的緣故。

工業的快速發展給予了我們現代化的生活，卻也剝奪了本應該湛藍的天空。霧霾這兩個字壓在許多人的心頭，讓我們喘不過氣來：大量工廠中排放的PM2.5充斥著我們呼吸的空氣。這些直徑在2500納米左右的顆粒物對於可見光的波長來說簡直就是巨無霸。任何波長的可見光遇到這樣一個攔路虎都會發生漫反射而不是散射。由於在反射中並沒有」波長歧視「，到達地面的光仍然和太陽光一樣是白色的；但又因為一部分光線被」反彈「而無法到達我們的眼睛裡，還有一部分光線被顆粒物所吸收，天空於是變成了很暗的灰色。長期處於這種環境中，不但使人負能量爆表，喘氣困難，而且各位老司機開車的時候還極容易發生交通事故。所以當污染加劇的時候，調色師太陽就會改變他的畫風來敲響警鐘：請還我一塊潔凈的畫布，為了你們這顆小小星球上藍色的天空。

來自：中科院高能所（casihep）

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