天空為什麼是藍色的?瑞利誕辰|科學史上的今天:11/12

天空為什麼是藍色的?(陽光明明是白光啊!)

圖片來源:Alvesgaspar@wikimedia

這個看似沒那麼困難的問題,竟然難倒了很多物理大師,包括達文西、牛頓、克勞修斯、赫歇爾等人。他們都曾對此自然現象提出解釋,有的說是空氣中的塵埃反射陽光所造成,有人則認為是陽光經過水氣形成的干涉。然而越是乾淨的大氣或越是乾爽的天氣,天空看起來越藍,可見與塵埃與水氣無關。結果這個問題一直到十九世紀末才由英國物理學家瑞利男爵解決。

原來當入射光的波長比碰到的微粒還要大很多時,就會產生散射。瑞利發現散射強度與波長的四次方成反比(稱為「瑞利散射」),也就是說波長越短,越容易散射。空氣分子本身非常小,對可見光都會產生散射,但可見光中的藍紫光波長最短,所以會有更多的藍紫光不斷在大氣中散射,其散射比率高達紅光的五倍。而我們視網膜的感光細胞對藍光比對紫光更加敏感,所以天空看起來才是藍色的。

清晨或黃昏時,陽光在大氣中得經過更長的路徑才到達我們眼睛,有更多藍光在中途被散射了,所以朝日與夕陽看起來都是橙紅色的。彩霞就是雲反射陽光,所以也是橙紅色。天空不再是白天的藍色,是因為光線變弱了,而呈暗黑色。

除了「瑞利散射」,瑞利還解釋了我們如何判別聲音的方位。原來左右兩只耳朵接收到的音波相位與振幅大小並不完全相同,我們大腦就是根據兩者的差異判斷聲音的來源。

1900年,瑞利根據統計力學提出一個黑體輻射的公式,描述輻射能量與頻率之間的關係。這個公式只有部分與實際吻合,但因為沒有更好的理論,因而促使普朗克提出量子的概念,主張能量有基本單位,因而開啟了量子力學。

瑞利與拉姆西(William Ramsay)於1904年共同獲頒諾貝爾物理獎,不過獲獎原因與上述貢獻都沒關係,而是表揚他們在1894年發現新的氣體元素──氬。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。


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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。

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