當我們愜意地躺在草地上，微風輕柔地拂過臉龐，抬頭望向那廣袤無垠的天空，澄澈的藍色映入眼簾，身心瞬間感到無比放松。

在這美好的時刻，你是否曾心生疑問：天空為什么是藍色的呢？為什么不是夢幻的粉色、清新的綠色或者其他色彩呢？

這一看似平常的自然現(xiàn)象，其背后蘊含的物理規(guī)律卻并不簡單。事實上，關(guān)于 “天空為何是藍色” 的科學解釋，直到 19 世紀末 20 世紀初才由科學家給出了完善的答案，要知道，那時距離牛頓開創(chuàng)經(jīng)典力學體系已經(jīng)過去了足足兩個多世紀。不過，從科普的角度出發(fā)，我們只需定性地了解這些規(guī)律，如此一來，理解起來也并非難事。

至于歷史上是誰第一個對天空為何是藍色做出相關(guān)解釋的，如今已無從考證。但這并不妨礙我們自己先來思考一番這個有趣的問題。

首先，不管天空呈現(xiàn)出何種顏色，其前提都是空中的光子進入我們的眼睛，從而讓我們感知到天空的狀態(tài)。那么，這些光子究竟從何而來呢？我們知道，大氣層自身是無法發(fā)光的（準確地說，在沒有外來激發(fā)的情況下，無法持續(xù)發(fā)出可見光），這里的光子自然是太陽 “饋贈” 給我們的。提到太陽光，我們都知道它是復(fù)合光，這一發(fā)現(xiàn)源于牛頓利用三棱鏡將太陽光分解成了多種顏色的光。由此，我們或許會猜測，天空的藍色是不是因為天空中存在類似三棱鏡的物質(zhì)，將光分解了呢？

然而，稍加思索便會發(fā)現(xiàn)這種想法并不正確。太陽光經(jīng)過三棱鏡會分解成數(shù)種顏色的光，這是由于折射作用。若天空中存在類似折射的情況，我們看到的天空理應(yīng)是七彩斑斕的，而不是單一的藍色。既然不是折射的原因，那會不會是藍色光在穿越大氣層的途中被 “攔截” 了下來，無法抵達地面，只能在大氣層內(nèi)不斷 “徘徊” 呢？

總的來說，這是一個光學現(xiàn)象，涉及光線穿越介質(zhì)時的情況。為了更好地理解，我們可以從與之類似的丁達爾效應(yīng)說起。

相信很多朋友在中學化學課上都接觸過丁達爾效應(yīng)。老師告訴我們，丁達爾效應(yīng)可以用來區(qū)分溶液和膠體。當用一束光照射要區(qū)分的液體時，如果液體中出現(xiàn)一條光亮的通路，那就表明這是膠體溶液。

丁達爾效應(yīng)是英國科學家約翰?丁達爾于 1869 年發(fā)現(xiàn)的。從微觀層面解釋，是因為膠體溶液中存在大量直徑不超過 100 納米的小微粒，這些微粒的直徑小于可見光的波長范圍。當光線通過時，就會發(fā)生散射現(xiàn)象。如果微粒的直徑過大，比光的波長還要大很多，就會發(fā)生反射現(xiàn)象。

因此，當時的人們嘗試用丁達爾效應(yīng)對天空的顏色進行解釋，認為大氣中存在大量的灰塵、小水滴、冰晶等小微粒，太陽光在通過大氣時，不可避免地會遇到這些微粒，將太陽光中波長較短的藍色光散射到整個天空，所以天空呈現(xiàn)出藍色。

這種解釋乍一看似乎合情合理，但實際上，在丁達爾效應(yīng)中，散射光的強度與入射光波長之間的關(guān)聯(lián)并不十分緊密。雖說從理論上勉強說得通，但從現(xiàn)代科學的角度來看，這并非正確答案。問題的關(guān)鍵就出在 “大氣中的灰塵、水滴等小微?！?這一點上。

我們知道，空氣中含有塵埃、水滴等小微粒似乎是 “理所當然” 的，然而這些小微粒的濃度并非固定不變，而是一個變量。濃度的變化直接影響著散射程度，而散射程度的不同又會導(dǎo)致天空顏色產(chǎn)生差異。

但實際情況是，草原上的天空和沙漠上的天空看起來并沒有明顯區(qū)別，這顯然與丁達爾效應(yīng)的解釋相悖。簡單概括來說，按照丁達爾效應(yīng)來解釋 “天空為何是藍色”，其結(jié)論應(yīng)該是：不同地區(qū)由于環(huán)境不同，天空的顏色差異會很顯著。但現(xiàn)實中，這種差異并不存在。那么，天空到底為什么呈現(xiàn)藍色呢？

既然我們已經(jīng)能夠排除大氣中雜質(zhì)小微粒的主要影響，那還剩下什么因素呢？思來想去，似乎就只剩下大氣本身了。難道是大氣中的各種氣體分子在 “作怪”？

幸運的是，我們的想法與著名物理學家約翰?威廉?斯特拉特不謀而合。

經(jīng)過深入細致的研究，瑞利發(fā)現(xiàn)，散射現(xiàn)象不僅僅會發(fā)生在雜質(zhì)微粒身上，對于單獨的原子或分子而言，同樣會發(fā)生散射。這種散射被稱為瑞利散射。一般來說，當粒子的直徑遠小于入射光波長時（不超過波長的十分之一），散射光的強度與入射光的頻率的四次方成正比（即與波長的四次方成反比）。因此，對于波長越短的光，散射就越強。以太陽光為例，在可見光范圍內(nèi)，波長較短的藍紫光就最容易被散射開。

在非常純凈的大氣環(huán)境中，即便大氣內(nèi)部沒有懸浮的各種塵埃、冰晶等雜質(zhì)微粒，也會由于大氣分子的散射作用，使得太陽光中的藍紫光被散射開來，彌漫到整個大氣層。所以，瑞利散射才是天空呈現(xiàn)藍色的真正原因。

日落時的夕陽便是這一理論的絕佳驗證。

考慮到地球是一個球體，包裹地球的大氣層可看作是一個球殼。通常在每天正午左右，太陽位置達到一天中的最高點，此時太陽光從大氣層穿透到地面所經(jīng)歷的大氣層厚度是一天中最短的；而到了日落（或日出）時，太陽光所經(jīng)歷的大氣層厚度是一天中最長的，這一點從相關(guān)示意圖中可以直觀地看出。

光線穿過的距離越長，意味著更多的藍紫光被散射。于是，最后只有偏紅的光能夠抵達地面，這就是為什么日落時的太陽會呈現(xiàn)出咸鴨蛋黃般的顏色。

不過需要注意的是，這種紅色只在太陽附近出現(xiàn)，而其余大部分天空，仍然顯示藍色或者更暗的顏色，畢竟太陽即將落山，夜晚即將來臨。