天空为什么是蓝色的

Nicholas A.Christakis　尼古拉斯·克里斯塔基斯

耶鲁大学社会学教授，合著有《大连接》。

我所心仪的阐释与当我还是个小男孩时所寻找的那个问题有关，即天空为什么是蓝色的？这几乎是每个蹒跚学步的小孩都会问到的问题，但也是从亚里士多德时代起，几乎每个最伟大的科学家，包括达·芬奇、艾萨克·牛顿、约翰尼斯·开普勒、勒内·笛卡尔、莱昂哈德·欧拉，甚至是阿尔伯特·爱因斯坦，都曾问过的问题。

对于这个问题的阐释，我最心仪的一点是，它超越了问题本身的简单性；它是历经漫长世纪的努力，才得以出现的，并且有许多的科学分支都因它而得以发展。

与其他日常现象不同，譬如说日出和日落，天空的颜色没有引发太多的神话联想，即便是希腊人或中国人也是一样。对于天空的颜色这个问题很少有非科学的阐释。在过了很长一段时间，直到引起我们科学的注意之后，蔚蓝色的天空才被问题化。如果大气层有颜色，我们呼吸的空气怎么是无色的呢？

据我们所知，亚里士多德是第一个提问天空为什么是蓝色的人。在《论颜色》（On Colors）这篇文章中，他的回答是：空气近在眼前时呈现透明，但深邃天空看起来是蓝色的，就如同水浅时看起来很清澈，但水深是看起来是黑色一样。这一观点到了13世纪，仍然得到了罗杰·培根（Roger Bacon）的赞同。开普勒也重复了与之类似的阐释，他认为空气看起来无色，是因为空气稀薄的时候，色调相当微弱。但他们却没有一人，针对大气为什么是蓝色的，给出一个解释。

在16世纪早期的《莱切斯特手稿》（Codex Leicester）中，达·芬奇写道：“我认为大气中所被看见的蓝色，不是其本身的颜色，而是加热的湿气经过蒸发，最终成为最微小、不易觉察的微粒，这些微粒被太阳光所吸引，因而相对于上面包围着它们的深沉与强烈的褐色，看起来更为明亮。”唉，就连达·芬奇也没给出一个确切的解释，为什么这些微粒呈现出蓝色。

牛顿通过提出天空为什么是蓝色的问题，以及通过具有开创性的折射实验，证明了白光可以分解成其组成的各种颜色，对回答这个问题做出了一番贡献。

自牛顿以后，还有许多被遗忘和被记住的科学家纷纷加入到探索的行列中来。究竟是什么会使天空折射出更多的蓝色光线进入我们的眼帘呢？1760年，数学家莱昂哈德·欧拉推测，光的波动论或许有助于解释天空为什么呈现蓝色。19世纪，有着各种各样的实验和观察，从冒险到山顶观测，到煞费苦心在瓶子里重塑蓝天，这些都被记录在彼得·佩西奇（Peter Pesic）的绝妙之书《瓶子里的天空》（Sky in a Bottle）里。在不同位置、不同高度和不同时间，在人们所完成的数不胜数的仔细观察中，有一个为实验精心打造的设备：天空蓝度测定仪。奥拉斯·贝内迪克特·德索绪尔（Horace-Bénédictde Saussure）在1789年率先发明了第一个天空蓝度测定仪，在他的设计版本里，共有排成圆形的53个层次的蓝色调。德索绪尔的观点是，某种悬浮在空气中的事物一定与蓝色有关联。

事实上，在相当长的一段时间里，人们怀疑是空气中的某种事物改变了光，使其看上去呈现蓝色。最终，人们才意识到，是空气本身造成了这一结果。构成空气的气体分子，本质上就会使其本身显现为蓝色。如此一来，天空的蓝色和原子物理的现实发现有了联系。天空的颜色与原子理论息息相关，甚而与阿伏伽德罗常数⁽¹⁸⁾有关。这一点，在1905—1910年期间，引起了爱因斯坦的注意。

因此，天空之所以呈现蓝色，是因为入射光与空气中的气体分子相互作用，从而使光谱中更多蓝色部分的光被散射，最终进入到在地球表面上生活的人类眼中。入射光的所有频率都是以这样的方式散射的，但高频（短波）蓝色光比低频率散射得更多，这种过程被称为“瑞利散射”（Rayleigh scattering），该解释于19世纪70年代被首次提出。约翰·威廉·斯特拉特（John William Strutt）——瑞利勋爵，因发现氩而在1904年获得了诺贝尔物理学奖。他证明了，当光的波长与气体分子大小相等时，散射光的强度与其波长的4次方成反比。波长较短的蓝色和紫色光，比波长较长的光，会散射更多。所以看上去空气中所有分子都会发出蓝光，于是我们身边的蓝色无时无刻都随处可见。

然而，天空看上去应该是紫色的才对，因为紫色光的散射比蓝色光还要多。但天空看起来不是紫色，原因就在于这个难题的最后一道关卡：生物因素，即我们人类眼睛的设计方式：我们的肉眼对蓝光比对紫光更为敏感。

天空为什么呈现蓝色，对此的解释涉及了众多自然科学：可见光谱的颜色、光波的性质、阳光照射大气层的角度、散射的数学模式、氮和氧分子的大小，甚至是人类眼睛感知颜色的方式。童言稚语中的一个问题，蕴含了绝大部分的科学。

注：本文作者尼古拉斯·克里斯塔基斯的《大连接》已由湛庐文化策划，中国人民大学出版社出版。