為什么海水看著比天空更藍(lán)？

藍(lán)天，也就是包裹著地球的一層大氣，在天氣晴朗時(shí)它呈現(xiàn)為藍(lán)色，同樣地，大海在天氣晴朗的時(shí)候，也是藍(lán)色?？諝飧蠛１旧硎菦](méi)有顏色的，他們看起來(lái)為什么是藍(lán)色這一問(wèn)題，英國(guó)物理學(xué)家瑞利提出了一個(gè)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(duì)光束的作用，使得光波偏離原來(lái)的傳播方向而四周散開(kāi)的現(xiàn)象。在高層的空氣中，分子的熱運(yùn)動(dòng)造成各個(gè)地方的空氣密度不同，也會(huì)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(lán)色的了。陽(yáng)光中的藍(lán)色光在大氣中的散射效應(yīng)要強(qiáng)于其他顏色的光，在太陽(yáng)光穿過(guò)大氣到達(dá)地面的過(guò)程中，藍(lán)色的光被散射到大氣層的各個(gè)方向，在人眼看來(lái)，大氣層也就變成了藍(lán)色。

海水更加藍(lán)的原因?

成功解釋天空呈現(xiàn)藍(lán)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(rèn)為海水所呈現(xiàn)出的深藍(lán)色與水的顏色沒(méi)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(diǎn)，并提出了正確的解釋。

（拉曼，圖源wikipedia）

拉曼乘船前往英國(guó)進(jìn)行訪問(wèn)，航行到英國(guó)需要數(shù)個(gè)月的漫長(zhǎng)旅途。拉曼在聲學(xué)方面的造詣?lì)H深，他同時(shí)還對(duì)光學(xué)以及光的散射有比較濃厚的興趣。他時(shí)常拿著棱鏡，望遠(yuǎn)鏡等光學(xué)儀器觀察海洋。越觀察，越發(fā)覺(jué)得瑞利對(duì)海洋呈現(xiàn)顏色的解釋站不住腳。如果說(shuō)，大海是反射天空的顏色，那大海的藍(lán)色就應(yīng)該跟天空的顏色是一樣或是更淺一些，好比一個(gè)人照鏡子，鏡子中人的顏色與本人的顏色是相同的。實(shí)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(wèn)題，并在回到印度之后對(duì)六十種不同的液體進(jìn)行研究，將這一現(xiàn)象與量子理論（在當(dāng)時(shí)非常新的一種物理理論）相聯(lián)系起來(lái)，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(jiǎng)。

拉曼對(duì)于海水顏色的解釋是這樣的：光在水中也會(huì)發(fā)生散射，但不僅僅是說(shuō)光的方向發(fā)生改變，光的顏色也會(huì)產(chǎn)生改變。藍(lán)色的光被水分子散射時(shí)，一大部分光的顏色都是沒(méi)有改變的，但有一小部分光在與水分子碰撞時(shí)，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(lái)，這部分光就由藍(lán)色變成了深藍(lán)色。

為什么會(huì)這樣呢？實(shí)際上，能量不同的光，在人眼看來(lái)是顏色不同的光。當(dāng)光的能量經(jīng)過(guò)碰撞或是其它效應(yīng)改變之后，在人眼看來(lái)，它的顏色也隨之改變。紅橙黃綠藍(lán)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(lán)色而得出的瑞利散射理論，現(xiàn)在被用來(lái)在室內(nèi)制造逼真的“人造藍(lán)天”?，F(xiàn)在絕大多數(shù)的室內(nèi)燈光，在人眼看起來(lái)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(lán)天。

這類燈具能夠模仿藍(lán)天的原因是，它配備了一種特殊的板子——瑞利散射板。這個(gè)板子有透明的樹(shù)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(guò)瑞利散射板時(shí)會(huì)產(chǎn)生劇烈的瑞利散射，從而使得整塊板子看起來(lái)與天空的顏色別無(wú)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(duì)光的散射效應(yīng)也不一樣。在一個(gè)玻璃杯中盛滿清水，然后向其中添加少許牛奶，會(huì)發(fā)現(xiàn)水很快就變成乳白色不透明的，這是因?yàn)榕Ｄ讨械奈⒘?duì)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(gè)對(duì)藍(lán)光的散射作用更強(qiáng)，一個(gè)對(duì)所有光的散射作用都很強(qiáng)，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(lán)色，也考慮了它們大氣中的瑞利散射程度大小，藍(lán)色的瑞利散射太大，可見(jiàn)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(xì)。這一現(xiàn)象能夠被用于識(shí)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(shí)，會(huì)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(shí)，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(wú)法辨別的，但如果讓能量相同的光分別經(jīng)過(guò)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(lái)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(lái)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(shí)驗(yàn)室以及食品檢測(cè)機(jī)構(gòu)，有專門的儀器來(lái)進(jìn)行該項(xiàng)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(guò)拉曼光譜檢測(cè)出來(lái)。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(zhǔn)確性與靈敏性。

結(jié)語(yǔ)

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

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作者：吳慶中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 研究生

審核：李明中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 研究員

文章由科普中國(guó)-創(chuàng)作培育計(jì)劃出品，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)源。