【本文是中国天体物理之父方先生在100年前“天蓝”物理完成的2010年发表的科普作品。】

　　“为什么天空是蓝色的？”正确的物理解释完成于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(John Rayleigh，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。

　　“外来粒子”是指廷德尔散射所需要的东西。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，简而言之，蓝天的原因是：

　　“空气中有不可避免的杂质，也就是空气本身的波动。密度波动和阳光的其他散射形成了蓝天。”

　　爱因斯坦没有开创“天蓝”的起源物理学，但爱因斯坦奠定了最完整的理论。因此，“天蓝”物理于1910年完成。

　　瑞利和爱因斯坦的“天蓝色”理论普遍适用。可以用来解释纯空气中的“蓝天”现象，也可以用来解释纯水、纯玻璃等液体或固体中的“蓝天”现象。当然也有一些地方这个理论不适用。很多年前，我听到有人给“蓝天”送(唱)爱，“我爱祖国的蓝天”，不要误以为是“我爱祖国独立的、随意流浪的米素”。

　　高锟先生在为“光纤通信”奠定基础的之一篇论文[3]中引用的之一个物理公式是爱因斯坦的“天蓝色”瑞利散射公式(爱因斯坦-斯摩鲁乔夫斯基公式)。玻璃是凝固的液体。即使最理想的玻璃没有气泡和缺陷，玻璃中还是有不可避免的‘杂质’，也就是玻璃本身不可避免的波动。在光纤中传播的信号(光波)会被玻璃的波动散射。“天蓝”机制是光纤通信信号丢失的主要物理原因之一。它不能被光纤制造技术消除。你只能选择“不要太蓝”的光来减少它的影响。

　　许多权威的教育和科学(中文)网站都在报道高先生是世界上最有影响力的中国人。高先生的影响确实传遍了全世界。有趣的是，这些网站本身似乎并没有受到“影响”。比如本文开头引用的“天蓝”的解释，根本就没有“受影响”。对于青少年来说，那些“标准解释”不是有毒奶粉，而是过期一百年的奶粉。

　　[1] J .瑞利，菲尔。Mag。XLVII，375，1899

　　[2] A .爱因斯坦，安。Physik，33，1275，1910

　　[3]高锟，proc .IEE，113，第7期，1966，2010，电动力学课讲的是瑞利散射，图森，灯塔