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为啥天空会呈现出蓝色?

倪永香        2018-10-09
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只要天气好,天空多半是蓝色的,这是一个普通得不能再普通的现象。


可是天空为什么是蓝色的呢?

其实这个问题的答案,爱因斯坦在1910年就告诉我们了。


根据记载,早在两千多年前,古希腊就有人系统地对此问题进行过研究了。由于科学手段的落后,那时对天蓝问题的研究还停留在纯思辨的阶段。


丁达尔——微粒对光线的散射


近代对天蓝问题的研究始于19世纪初,最早由丁达尔给出了解释。


丁达尔认为,由于空气中存在尘埃、颗粒、水蒸气等细小微粒,这些微粒会对光线进行散射,而散射波长正好集中于光谱的蓝色区域,因此天空呈现出蓝色。

这个解释持续了几十年之久,是当时的主流解释。


瑞利——气体散射论


而此时的科学家瑞利认为这是因为气体分子对光波进行了散射,于是他提出了气体散射论。


通过精心计算,他发现空气中的氢气分子和氧气分子会对光线进行散射。理论值和实验观测吻合得非常好。于是,瑞利的解释逐步成为主流。


但是,瑞利在解释中引入了一个不得不加入的假设,就是空气是理想气体。这是一个危险的行为,所谓理想气体只是一种理论抽象,现实中并不存在。因此瑞利的解释存在着理论上的天然弱点。

而对于这个问题,给我们带来最终答案的是爱因斯坦!


爱因斯坦——熵的原理


他抛开了传统就光学研究光学的路子,而是从更高的层面,由热力学第二定律,根据熵增原理对天蓝问题给出解释。

我们知道,熵增是宇宙的一条基本定律,制约着宇宙进化的方向。具体而言,宇宙万物都是趋于混沌的。但爱因斯坦天才地发现,这种趋向宏观上表现为一种概率,也就是说,各种事物总体上是趋向混沌的,但仍有固定的概率实现熵的“涨落”,也就是按一定概率在特定阶段趋向有序,有序和无序的分布呈现一定的概率规律。


爱因斯坦通过精心计算,发现,空气的这种涨落,正好符合散射出蓝光的要求。通过光学和热力学的结合,爱因斯坦抛弃了理想气体的假设,通过熵的原理给出了天蓝的解释。

目前这也是科学届公认的最为合理的解释。


根据爱因斯坦的理论,不光天空是蓝色的,纯净的海水也是蓝色的。这也说明海水蓝色并不是反射的天空的颜色。甚至纯净的水,纯净的玻璃,都是蓝色的。而这些都已被现代科学实验所证实。

一个普通的现象,却蕴含着一个深刻的真理,并且被一个伟大的科学家揭示。这也正是科学的魅力。


编辑:倪永香


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