海为什么是蓝色的(带你一秒了解其中秘密)

海为什么是蓝色的(带你一秒了解其中秘密)

携带方，非原创。天空为什么是蓝色的解释以及目前流行的错误解释分析。
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天空是蓝色的原因不像一般的答案，因为“大气中的尘埃等粒子比其他波长更长的光子更能散射蓝光”。
与可见光的波长(约400 nm ~700 nm)相比，空气中的尘埃、小水滴等颗粒可称为庞然大物。对于近期寿命相对较短的PM2.5，是指悬浮在空气中的粒径小于等于2.5微米的颗粒造成的污染。2.5微米等于2500纳米，远远大于太阳光中可见光的波长，所以太阳光遇到这些粒子时，会向不同的方向反射。然而，这种反射对于不同波长(或不同颜色)的光具有相同的效果。换句话说，尘埃等粒子反射的白光仍然包含所有颜色。不信当PM2.5等空气污染指数再次脱离图表时，抬头看看天空是什么颜色——应该说看不到天空，只能看到一片白色.
那么，天空为什么是蓝色的呢事实上，空气中有大量小于可见光波长的粒子，即空气中的各种气体分子，如氧气和氮气，其“直径”约为0.3纳米。遇到这些气体分子时，会吸收一些光子。一段时间后，分子会释放另一个光子。发射的光子与吸收的光子颜色相同，但方向发生了变化。虽然所有颜色的光子都将被吸收，但是较高频率(即蓝色)的光子比较低频率(即红色)的光子更容易被吸收。这个过程被称为瑞利散射，它是以英国物理学家约翰瑞利爵士的名字命名的，他在20世纪70年代首次描述了这个过程。
那么，蓝光更容易与空气分子瑞利散射，又怎么会产生蓝天呢让我们做一个简单的假设。如果没有空气，天空会是什么颜色虽然我们大多数人都没有去过太空，但从阿波罗登月的纪录片中我们可以看到，即使太阳照耀在天空，天空仍然是黑色的。为什么，看下图就知道了：
因为空气中的瑞利散射，情况完全不同。当太阳光在大气中传播时，蓝光更容易发生瑞利散射，并被偏转到与太阳光传播的原始方向不同的方向。因此，即使我们不直视太阳，而是看天空中的其他方向，空气分子散射的光子(更多的蓝光)总是进入我们的眼睛，所以我们看到了蓝天。如下图所示。
其实方老校长就这个题目写了一篇很长的文章，比我在这里写的详细准确多了。有兴趣的话推荐看一百年的《天为什么是蓝的》
“天为什么是蓝的”的正确物理解释完成于1910年，至今已有一百年。“天蓝”物理学的一个重要应用是光纤通信，也就是高锟去年获得诺贝尔物理学奖的项目。
“天蓝”物理好像很受欢迎。所有看过“十万个为什么”的初中生都能说出它的“标准答案”:
“空气中有许多微小的尘埃、水滴、冰晶和其他物质。太阳光通过空气时，蓝色、紫色、靛蓝等波长较短的颜色很容易被悬浮在空气中的粒子阻挡，使光线散射。往四个方向看，天空是蓝色的。”
在汉语世界，大部分权威的教育科学网站，无论大小，还是采用上述“标准答案”，几乎每一个字。
这种对“天蓝”的解释基本上是19世纪中期的水平。它是由英国物理学家约翰丁达尔(1820-1893)发起的。通常被称为廷德尔散射模型。的确，“波长较短的蓝光很容易被悬浮在空气中的粒子阻挡，……并向各个方向散射”。但并不是“天蓝”的真正原因。如果天蓝色主要是水滴、冰晶等粒子的散射造成的，那么天空的颜色和深度应该会随着空气湿度的变化而变化。因为当湿度变化时，空气中水滴和冰晶的数量会发生明显的变化。潮湿地区和沙漠地区的湿度差别很大，但是天空一样蓝。廷德尔散射模型无法解释。到19世纪末，丁对天蓝的解释受到了质疑。
20世纪80年代，约翰瑞利(1842-1919)注意到没有必要求助于灰尘、水滴、冰晶等空气颗粒。空气中的氧和氮等分子散射太阳光，而蓝光很容易被散射。所以空气分子的散射可以看作是造成“天蓝”的主要原因。
然而，每个分子的散射并不意味着空气作为一个整体将是蓝色的。如果纯空气极其均匀，分子多了就不会有“天蓝”了。像一面很平的镜子，只折射或反射，很少散射。在均匀的环境中，不同分子的散射相互抵消。就像在一个集体纪律很强的环境里(比如监狱)，每个人独立散漫的行为都被完全压缩了。而“天蓝色”取决于分子的独立性和不干涉或较少干涉。
因此，瑞利假设空气不是分子的“监狱”。相反，氧、氮等分子随机游走，随机分布。用该模型计算的瑞利定量结果与天蓝的性质符合得很好。1899年，瑞利写了一篇总结文章《论蓝天的起源》[1]，开头说：
即使没有外来粒子，我们依然会有一片蓝天。
“奇异粒子”指的是廷德尔散射所需的东西。从此，廷德尔的天蓝色理论被抛弃了。瑞利散射已经成为“天蓝”理论的主流。
虽然瑞利的天蓝色理论很成功，但瑞利的随机分子分布假设也是基于此。但瑞利本质上假设空气是所谓的理想气体，这是一个很小但不可忽略的弱点。因为空气不是理想气体。
1910年，爱因斯坦终于解决了这个问题。爱因斯坦用当时刚刚发展起来的熵(混沌测度)统计热力学理论证明，即使是最纯净的空气，也有它的起伏。空气本身的密度波动也可以散射，蓝光容易散射。密度起伏的散射，不多也不多，只能产生我们看到的蓝天。如果空气是理想气体，爱因斯坦的结果和瑞利的一样。所以，简单地说，天空蓝色之起因是：
　　“空气中有不可消除的‘杂质’，即空气自身的涨落。密度涨落等对阳光的散射，形成了蓝天。”
　　“天蓝”起源物理不是爱因斯坦首创，但最完整的理论是爱因斯坦奠定的。所以说，“天蓝”物理学，完成于１９１０年。
　　瑞利和爱因斯坦的“天蓝”理论，是普遍适用的。可以用来解释纯净空气中的“蓝天”现象，也可以用来解释纯净的水，纯净的玻璃等液体或固体中的“蓝天”现象。当然，也有该理论不适用的地方。多年前，听到过有人对着“蓝天”发（歌）情，“我爱祖国的蓝天”，千万不要误听为“我爱祖国的独立而又无规游荡的分子们”。
　　高锟先生在他为“光纤通讯”奠基的第一篇论文［３］中引用的第一个物理公式，就是爱因斯坦的“天蓝”瑞利散射公式（即Ｅｉｎｓｔｅｉｎ－Ｓｍｏｌｕｃｈｏｗｓｋｉ公式）。玻璃是凝固了的液体。即使最理想的玻璃，没有气泡，没有缺陷，玻璃中依旧有不可消除的‘杂质’，即玻璃本身的不可消除的涨落。在光纤中传播的讯号（光波），会被玻璃的涨落散射。“天蓝”机制，是光纤通讯讯号损失的一个物理主因。它是不能用光纤制造技术消除的。只能选择“不太蓝”的光，减低它的影响。
　　不少权威的教育和科学（中文）网站上，正在报导高先生是“影响世界的华人”之最。高先生的影响，确实遍及全球。有趣的是，这些网站本身，似乎并不在“被影响”之列。比如，本文开头引用的“天蓝”解释，就还完全没有“被影响”。对青少年来说，那些“标准解释”虽然不算是有毒奶粉，但也是过期一百年的奶粉。
　　［１］Ｊ．Ｒａｙｌｅｉｇｈ，Ｐｈｉｌ．Ｍａｇ．ＸＬＶＩＩ，３７５，１８９９
　　［２］Ａ．Ｅｉｎｓｔｅｉｎ，Ａｎｎ．Ｐｈｙｓｉｋ，３３，１２７５，１９１０
　　［３］Ｃ．Ｋａｏ，Ｐｒｏｃ．ＩＥＥ，１１３，Ｎｏ．７，１９６６　２０１０，电动力学课正讲到瑞利散射，Ｔｕｃｓｏｎ，
　　幽默是脑筋急转弯的突出特点,没有了笑声,脑筋急转弯也就无从谈起。毋庸置疑,脑筋急转弯带给了我们无尽的乐趣。以下是学习啦小编为大家准备的脑筋急转弯，希望大家喜欢!
　　脑筋急转弯：海为什么是蓝色的
　　答案：因为海里面的鱼喜欢吐泡泡“BlueBlue…”（蓝）
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