為什么海水看著比天空更藍？

藍天，也就是包裹著地球的一層大氣，在天氣晴朗時它呈現(xiàn)為藍色，同樣地，大海在天氣晴朗的時候，也是藍色。空氣跟大海本身是沒有顏色的，他們看起來為什么是藍色這一問題，英國物理學(xué)家瑞利提出了一個解釋：這是由于光的散射造成的。

什么是散射？

光的散射是指，由于物質(zhì)（氣體，液體或固體）中存在微小的粒子對光束的作用，使得光波偏離原來的傳播方向而四周散開的現(xiàn)象。在高層的空氣中，分子的熱運動造成各個地方的空氣密度不同，也會引起散射。

（圖源：作者自制）

現(xiàn)在我們能解釋，為什么天空是藍色的了。陽光中的藍色光在大氣中的散射效應(yīng)要強于其他顏色的光，在太陽光穿過大氣到達地面的過程中，藍色的光被散射到大氣層的各個方向，在人眼看來，大氣層也就變成了藍色。

海水更加藍的原因?

成功解釋天空呈現(xiàn)藍色現(xiàn)象的物理學(xué)家瑞利，在解釋海水的顏色上卻折戟了，他認為海水所呈現(xiàn)出的深藍色與水的顏色沒有關(guān)系，海水只是反射天空的顏色。印度物理學(xué)家拉曼反駁了這一觀點，并提出了正確的解釋。

（拉曼，圖源wikipedia）

拉曼乘船前往英國進行訪問，航行到英國需要數(shù)個月的漫長旅途。拉曼在聲學(xué)方面的造詣頗深，他同時還對光學(xué)以及光的散射有比較濃厚的興趣。他時常拿著棱鏡，望遠鏡等光學(xué)儀器觀察海洋。越觀察，越發(fā)覺得瑞利對海洋呈現(xiàn)顏色的解釋站不住腳。如果說，大海是反射天空的顏色，那大海的藍色就應(yīng)該跟天空的顏色是一樣或是更淺一些，好比一個人照鏡子，鏡子中人的顏色與本人的顏色是相同的。實際上，大海的顏色卻要深一些。

拉曼在航行中不斷思考這一問題，并在回到印度之后對六十種不同的液體進行研究，將這一現(xiàn)象與量子理論（在當(dāng)時非常新的一種物理理論）相聯(lián)系起來，最終提出了新的散射理論——拉曼散射。拉曼提出的這一理論最終讓他在1930年獲得了諾貝爾獎。

拉曼對于海水顏色的解釋是這樣的：光在水中也會發(fā)生散射，但不僅僅是說光的方向發(fā)生改變，光的顏色也會產(chǎn)生改變。藍色的光被水分子散射時，一大部分光的顏色都是沒有改變的，但有一小部分光在與水分子碰撞時，損失或是得到了一部分能量，光的能量相比以前就變化了。在人眼看來，這部分光就由藍色變成了深藍色。

為什么會這樣呢？實際上，能量不同的光，在人眼看來是顏色不同的光。當(dāng)光的能量經(jīng)過碰撞或是其它效應(yīng)改變之后，在人眼看來，它的顏色也隨之改變。紅橙黃綠藍靛紫，他們的能量依次提高。

（拉曼散射與瑞利散射圖解，作者自制）

瑞利散射應(yīng)用目前，由思考天空的藍色而得出的瑞利散射理論，現(xiàn)在被用來在室內(nèi)制造逼真的“人造藍天”。現(xiàn)在絕大多數(shù)的室內(nèi)燈光，在人眼看起來與自然光還是有差距的，如果利用瑞利散射，那就能夠得到更加貼近自然環(huán)境的光線，還能在室內(nèi)擁有一塊小小的藍天。

這類燈具能夠模仿藍天的原因是，它配備了一種特殊的板子——瑞利散射板。這個板子有透明的樹脂加上尺寸微小的金屬粒子制成，燈具的光源發(fā)出白光之后，經(jīng)過瑞利散射板時會產(chǎn)生劇烈的瑞利散射，從而使得整塊板子看起來與天空的顏色別無二致，而發(fā)出的光也與自然光比較類似。短短數(shù)毫米厚的板子，便能替代數(shù)公里厚的大氣層。

成分不同的粒子，對光的散射效應(yīng)也不一樣。在一個玻璃杯中盛滿清水，然后向其中添加少許牛奶，會發(fā)現(xiàn)水很快就變成乳白色不透明的，這是因為牛奶中的微粒對所有顏色的光都有劇烈的瑞利散射現(xiàn)象，使得水變成了乳白色，不透明。兩種粒子，一個對藍光的散射作用更強，一個對所有光的散射作用都很強，最終在宏觀上呈現(xiàn)出不同的現(xiàn)象。

交通燈選取紅色與綠色而不選用藍色，也考慮了它們大氣中的瑞利散射程度大小，藍色的瑞利散射太大，可見距離不如紅色和綠色。

拉曼散射應(yīng)用

相比與瑞利散射，拉曼散射發(fā)揮作用的地方就更加地精細。這一現(xiàn)象能夠被用于識別各種各樣的分子，鑒定材料都由什么物質(zhì)組成。

前邊講到，一種顏色的光，在與空氣分子或是水分子等小分子碰撞時，會發(fā)生瑞利散射（顏色不變，方向改變），拉曼散射（顏色改變，方向也改變）。同種顏色的光在與不同物質(zhì)分子產(chǎn)生拉曼散射現(xiàn)象時，顏色的改變程度是不一致的。

兩杯水中分別融入糖和鹽，人眼是無法辨別的，但如果讓能量相同的光分別經(jīng)過這兩杯水，就能夠根據(jù)光與不同的分子碰撞發(fā)生拉曼散射后產(chǎn)生的不同顏色的光，來分辨水中溶解的到底是什么物質(zhì)。這種根據(jù)光的顏色來區(qū)分物質(zhì)的方法，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在全世界各大實驗室以及食品檢測機構(gòu)，有專門的儀器來進行該項工作，他們統(tǒng)稱為光譜儀。

（拉曼光譜儀，圖源wikipedia）

而利用拉曼散射效應(yīng)制成的光譜儀稱之為拉曼光譜儀，它是各類光譜儀器中靈敏度非常高的哪一類，即便某種分子在物體中的含量非常少，也能夠通過拉曼光譜檢測出來。因而，各種分子的拉曼散射特性，又被稱為“分子指紋”，彰顯該技術(shù)的準確性與靈敏性。

結(jié)語

光，照亮了五彩斑斕的世界。隨著人類對光本質(zhì)的了解越加深入，對光與各種物質(zhì)的研究越加充分，光已經(jīng)成為我們認識與改造世界的強大工具。

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作者：吳慶中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 研究生

審核：李明中國科學(xué)院高能物理研究所 研究員

文章由科普中國-創(chuàng)作培育計劃出品，轉(zhuǎn)載請注明來源。