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本帖最后由 haddy 于 2014-8-17 01:04 编辑
“天为什么是蓝色的”一百年
“天空为什么是蓝色?”正确的物理解释完成于1910年,迄今整一百年。“天蓝”物理学的一个重要应用,是光纤通讯,即高锟先生去年获得物理诺贝尔奖的项目。
“天蓝”物理学似乎很普及。凡是看过“十万个为什么”的初中生,都能说出它的“标准答案”:
“空气中会有许多微小的尘埃、水滴、冰晶等物质,当太阳光通过空气时,波长较短的蓝、紫、靛等色光,很容易被悬浮在空气中的微粒阻挡,从而使光线散射向四方,使天空呈现出蔚蓝色。”
中文世界中,大小权威的教育和科学网站,大多仍采用上述“标准答案”,几乎一字不差。
这个“天蓝”解释,基本上是十九世纪中叶的水平。它是英国物理学家丁铎尔(John Tyndall,1820-1893)首创的。常称作丁铎尔散射模型。确实,“波长较短的蓝色光,容易被悬浮在空气中的微粒阻挡,……散射向四方”。但它并不是“天蓝”的真正原因。如果天蓝主要是由水滴冰晶等微粒的散射引起的,那末,天空的颜色和深浅,就应随着空气湿度的变化而变化。因为当湿度变化时,空气中水滴冰晶的数目会明显变化。潮湿地区和沙漠地区的湿度差别很大,但天空是一样的蓝。丁铎尔散射模型解释不了。到十九世纪末叶,丁的天蓝解释已被质疑。
1880年代,瑞利(John Rayleigh,1842-1919)注意到,根本不必求助尘埃、水滴、冰晶等空气中的微粒,空气本身的氧和氮等分子对阳光就有散射,而且也是蓝色光容易被散射。所以,空气分子的散射就可以作为“天蓝”的主因。
然而,各个分子有散射,不等于空气整体会有蓝色。如果纯净的空气是极均匀的,分子再多也没有“天蓝”。就像一块极平的镜子,只有折射或反射,而极少散射。在均匀一致的环境中,不同分子的散射相互抵消了。就如在一个集体纪律超强的环境(如监狱)中,每个人的独立和散漫行为被彻底压缩。而“天蓝”靠的就是分子各自的独立和相互不干涉,或少干涉。
为此,瑞利假定,空气不是分子的“监狱”。相反,氧和氮等分子,无规行走,随机分布。瑞利由这个模型算出的定量结果,很好地符合天蓝的性质。1899年,瑞利写了一篇总结式的文章“论天空蓝色之起源”[1],开宗明义就说:“即使没有外来的微粒,我们依旧会有蓝色的天”。
“外来的微粒”即指丁铎尔散射所需要的。从此,丁铎尔的天蓝理论被放弃。瑞利散射成为“天蓝”理论的主流。
瑞利的天蓝理论虽然很成功,瑞利的分子无规分布假定,也有根据。然而,瑞利实质上还要假定空气是所谓理想气体,这是一个不大的,但也不可忽略的弱点。因为空气不是理想气体。
1910年,爱因斯坦最终解决了这个问题。爱因斯坦用当时刚刚发展的熵(混乱的度量)的统计热力学理论证明:那怕最纯净的空气,也是有涨落起伏的。空气本身的密度涨落也能散射,也是蓝色光容易被散射。密度涨落的散射,不多也不少,正好能产生我们看到的蓝天。如果空气是理想气体,爱因斯坦的结果就同瑞利的一样。所以,简单地说,天空蓝色之起因是:
“空气中有不可消除的‘杂质’,即空气自身的涨落。密度涨落等对阳光的散射,形成了蓝天。”
“天蓝”起源物理不是爱因斯坦首创,但最完整的理论是爱因斯坦奠定的。所以说,“天蓝”物理学,完成于1910年。
瑞利和爱因斯坦的“天蓝”理论,是普遍适用的。可以用来解释纯净空气中的“蓝天”现象,也可以用来解释纯净的水,纯净的玻璃等液体或固体中的“蓝天”现象。当然,也有该理论不适用的地方。多年前,听到过有人对着“蓝天”发(歌)情,“我爱祖国的蓝天”,千万不要误听为“我爱祖国的独立而又无规游荡的分子们”。
高锟先生在他为“光纤通讯”奠基的第一篇论文[3]中引用的第一个物理公式,就是爱因斯坦的“天蓝”瑞利散射公式(即Einstein-Smoluchowski公式)。玻璃是凝固了的液体。即使最理想的玻璃,没有气泡,没有缺陷,玻璃中依旧有不可消除的‘杂质’,即玻璃本身的不可消除的涨落。在光纤中传播的讯号(光波),会被玻璃的涨落散射。“天蓝”机制,是光纤通讯讯号损失的一个物理主因。它是不能用光纤制造技术消除的。只能选择“不太蓝”的光,减低它的影响。
不少权威的教育和科学(中文)网站上,正在报导高先生是“影响世界的华人”之最。高先生的影响,确实遍及全球。有趣的是,这些网站本身,似乎并不在“被影响”之列。比如,本文开头引用的“天蓝”解释,就还完全没有“被影响”。对青少年来说,那些“标准解释”虽然不算是有毒奶粉,但也是过期一百年的奶粉。
[1]J.Rayleigh,Phil.Mag.XLVII,375,1899
[2]A.Einstein,Ann.Physik,33,1275,1910
[3]C.Kao,Proc.IEE,113,No.7,1966 2010,电动力学课正讲到瑞利散射,Tucson,
□ 读者投稿
华 夏 文 摘
―― 第九九四期 ――
刊登在 2010 华夏快递[1] kd100416.
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楼主: 霧島海人
沪公网安备 31010702007642号 )
发表于 2014-8-17 00:57
我也觉的太多可以玄学的地方了，。。。伊奈帆有上去试过能不能开吗？
发表于 2014-8-17 01:01
我总觉得男主如果不是和火星有关系就是基因啥的被调整过，这正常上学再怎么性格不同和他姐的差距也大了点
如果要彻底利用公主的话，伊奈帆接下来会不会展开感情攻势什么的。突然觉得他上集跑去问Aldnoad特别黑了，说不定就是那个时候想到利用的了。目的倒是很正当，打退火星人保卫地球。
