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！）

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。