110年統計熱力學熵解釋天空藍色理論質疑

包月英 開小明

摘 要：介紹了丁鐸爾散射模型，瑞利散射理論和愛因斯坦熵統計熱力學理論，解釋天空藍色的歷史。前兩種理論存在不足，愛因斯坦理論也只是附和了上述兩種理論，依照他們的理論天空應該如月球是無色的。他們的理論搞錯了引起天空藍色的散射光來源，作者認為，是地表的光線散射到大氣，然后瑞利散射到地表，所以看到天空為藍色，因此110年愛因斯坦天空藍色理論受到質疑，還說明了因衍射而使火星和沙塵暴時天空為藍色。

關鍵詞：天空藍色; 丁鐸爾散射; 瑞利散射; 愛因斯坦; 熵; 平行光; 火星; 沙塵暴

中圖分類號：P401，P402? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1006-3315（2020）10-154-001

可見光波長從750-400nm，其顏色依次為：紅、橙、黃、綠、青、青藍、藍、紫八種顏色，肉眼對紅色最敏感，對紫色不太敏感。光學在光纖通信、微電子技術和軍事上都有非常重要的應用。

天空為什么是藍色的？大小權威的教育和科學網站標準答案：“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。”在一些文獻和媒體上權威專家也是類似如此解釋的[1-5]。這個“天藍”解釋，只是十九世紀中葉的水平，它是英國物理學家丁鐸爾（John Tyndall）首創的，常稱作丁鐸爾散射模型。人們認為它沒有完全解釋“天藍”的原因。如果天藍主要是由水滴冰晶等微粒的散射引起的，那么，天空的顏色及深淺，就應隨著空氣濕度的變化而變化。因為當濕度變化時，空氣中水滴冰晶的數目會明顯變化。潮濕地區和沙漠地區的濕度差別很大，實際天空差不多是一樣的藍，丁鐸爾散射模型解釋不了。到十九世紀末，丁的天藍解釋已被質疑。

1880年代，瑞利（John Rayleigh）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，氣體分子的散射就可以作為“天藍”的主因。然而，各個分子有散射，不等于空氣整體會有藍色。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，這由瑞利散射公式得到說明[6]。太陽光射向地球是平行光，據此瑞利散射的結果，天空是無色的。1899年，瑞利寫了另一篇文章“論天空藍色之起源”，似乎也不完美。

1910年，人們認為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統計熱力學理論證明：那怕最純凈的空氣，也是有漲落起伏的。空氣本身的密度漲落也能散射，自然是波長短光容易被散射，藍色能被肉眼看見，我們看到是藍天。如果空氣是理想氣體，愛因斯坦的結果就同瑞利的一樣。所以，簡單地說，天空藍色之起因是：“空氣中有不可消除的‘雜質，即空氣自身的漲落。密度漲落等對陽光的散射，形成了藍天。”“天藍”物理學的一個重要應用，是光纖通訊，高錕先生獲得物理諾貝爾獎的項目[7]。

作者認為，人們不能完美解釋天藍理論原因，是忽略了一個問題：太陽輻射通過大氣層后，到達地面的太陽輻射能量比大氣上界小得多，在可見光譜區減少至40%[8]。瑞利散射的散射強度與波長的4次方成反比，即光的波長越短，散射越強。透射到地表的可見光，散射到大氣層，遇到氮、氧氣體分子，以及各種粒子，依瑞利散射原理，優先將短波長光散射到地表，我們看到天空是藍色（紫色光肉眼不敏感）。天空藍色深淺，與背景光強度有關，你在草原、沙漠、青藏高原看到天空藍色稍有不同。

沒有月光的城市夜空，城市燈光經天空散射后，天空的顏色也是藍色的。太陽光散射到外太空，從外太空看地球是蔚藍色。日出和日落時，由于地表水蒸氣和其他塵埃影響，面對太陽，波長短的藍色光被散射，看到的是紅色透過光的紅太陽，但一轉背，可看見光因各種粒子瑞利散射，天空呈藍色。

天空為藍色的解釋應改為：當透射到地表的可見光散射到大氣層時，波長較短的藍、紫色光等，很容易被空氣中氮、氧氣體分子，以及許多微小的塵埃、水滴、冰晶等物質阻擋，從而使光線散射向地表，天空呈現出蔚藍色。如此看來，到2020年已110年天藍理論受到質疑。

至于火星和沙塵暴時天空為什么看到是藍色[5]？沙塵微粒可類似于非晶體中的原子，光線照射時會發生衍射，微粒間距小，只有波長短的藍光最易衍射，通過沙塵暴層，所以看到天空為藍色。

參考文獻：

[1]科學探索家.你知道天空為什么是藍的嗎2019-06-18[2020-7-28]

[2]Ethan Siegel.萌大統領編譯.你真的知道天空以及我們的地球，為啥都是藍的嗎？2017-09-28[2020-7-28]

[3]曉童美術課堂.地球的天空為什么是藍色的2020-04-20[2020-07-28]

[4]張新榮.清華大學儀器分析教學錄像——拉曼光譜法（一）p37.2019-08-28[2020-7-28]

[5]CCTV-1綜合頻道.火星上的落日是什么顏色.2017-11-05[2020-7-28]

[6]李錦瑜，曾道剛.瑞利散射公式討論[J].大學化學，1992，7（1）：58-60+57

[7]羅百竹.“天為什么是藍色的”一百年.2014-06-11[2020-7-28]

[8]劉冰川.太陽輻射.科普中國·科學百科，2019-08-12[2020-7-28]