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张宇轩/文 一天我们的某位读者给他的未婚妻挑选戒指的时候，他也许会注意到到钻石在白光照耀下呈现出绚丽的颜色，不过可能更令他关心的则是那个小小的，不太起眼的价格标签吧。宝石对于光线的这一小魔法早在中世纪之前便被爱美之人所了解。那时候大家都认为太阳发出的白色光线是最“纯洁”的光，而我们所见到的各种颜色却是因为某种原因而发生变质的光，是不“纯洁”的。直到十七世纪中叶以后，牛顿通过实验研究了太阳光的本质，完全颠覆了人们对光的颜色的认识。  1666年，刚刚从三一学院毕业的牛顿便展现出了他过人的才华：通过一块三棱镜，牛顿第一次向世人揭示了“白色”的真谛：白色的太阳光其实是由不同颜色的光组成，而光线的颜色完全取决与它的波长。原来，不同波长的光信号，在视网膜上存在着分别对红（波长约在564–580纳米之间）、绿（534–545纳米）和蓝（420-440纳米）三种光线的波长特别敏感的三种视锥细胞，当不同波长的光线入眼时，引起敏感波长与之相符或相近的视锥细胞发生不同程度的兴奋，于是在大脑产生相应的色觉；三种视锥细胞若受到近似同等程度的刺激，则产生白色色觉。所以说，光是我们能够看见的原因，光的不同波长则使事物呈现不同颜色。在牛顿之后的几个世纪里，人们意识到，光，或者更准确的称为“可见光”，只不过是是电磁波的一种，通常指的是人眼能分辨的390-780纳米这个波长范围。从本质上讲，它和家里常用的微波炉、或者手机通讯时发出的信号区别只是波长不同罢了。 现在你可以想象，清晨透过窗帘唤醒你的几缕阳光，就如同一篇包含了无数音符的交响曲：低音部是波长长、能量低的红外线，中音部是可见光，高音部分则由能量最高的紫外线来担当。如果某个好奇宝宝统计了一下这篇交响曲中不同“音符”的数量并按照低音到高音来排列，我们就能得到一张左边这样的图。就如同五线谱一样，科学家称之为“神秘太阳光原力の谱”（好吧其实就是光谱），并借此来感知恒星的奥义。其中橙色的部分就是人眼能够分辨的频段，也恰好囊括了这张光谱的“谱生巅峰”。在漫长的进化历史中，正是为了适应太阳光谱的需要，我们的先祖形成了三原色为基准的视觉。因此可以毫不夸张的说，是太阳赋予了人类色彩斑斓的世界。  虽然自然界中的大多数物体都可以反射光，太阳这位调色师的灵感与才华，却最能体现在地球大气层这块幕布上：在没有月光的夜晚里，天空只是点缀着星光的墨色；黄昏时分，天空半遮着红霞；白日当空之时，却是湛蓝的。宋代词人张元干《水调歌头》词就有云：“万里碧空如洗，寒浸十分明月。”不仅仅是艺术家，物理学家们很早就开始为天空颜色的成因所痴迷。事实上，如果人在没有大气的月球上，即使是白昼，天空也是漆黑一片的，所以必定是太阳与地球大气层中的某些成分发生了作用。19世纪中叶，英国物理学家丁达尔对于蓝色的天空给出了第一个解释：“空气中会有许多直径与可见光波长相当的尘埃、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，”该解释也即是丁达尔散射现象。光的散射与人们比较熟悉的反射不同，是指由于光线与其所穿过的媒介物的粒子互撞偏离原方向而分散传播的过程，就如同一桌被撞散了的台球一样。但该解释有一个致命的问题，那就是如果真的天蓝跟空气中的小水滴等有关，由于潮湿地区的水份含量更高，天空在湿润的热带应该比沙漠地区更蓝。可事实上晴朗的天空在各个地区都是近似一样蓝，丁达尔的解释于是渐渐被人质疑。 19世纪80年代，英国物理学家瑞利提出了一种新的散射：瑞利散射。瑞利散射发生的条件，不再是与可见光波长相当的小液滴，而是小得多的气体分子。他指出，正是因为这些分子的存在，即使是最纯净大气条件下，我们也能看到蓝色的天空。在他的描述中，无数五颜六色的光子如同得到命令的千军万马一样从太阳杀向地球，但大气层中密度涨落的气体分子则是阻挡着这股洪流忠诚的卫兵。一部分光子被大气中的这些氮、氧等分子“吃掉”然后再以一个“随意”的角度“吐”出来。更有意思的是，如左图所示，这些气体分子偏好短波长口味的光子—蓝色和紫色等，而对于红色和黄色却往往放行。以入射的太阳光中的蓝光(波长为425纳米)和红光(波长为650纳米)为例，当光穿过大气层时，被空气微粒散射的蓝光（~22%）约比红光（~4%）多5.5倍。至于紫光虽然波长比蓝光更短，却大部分被臭氧层所隔绝，而不能达到人眼，于是整个大气中便呈现出蔚蓝色了。至于早晚时分的太阳为什么是红色的，则是因为早晚光线经过路程较长，大部分蓝色光都被散射掉而只留下了红光的缘故。  工业的快速发展给予了我们现代化的生活，却也剥夺了本应该湛蓝的天空。雾霾这两个字压在许多人的心头，让我们喘不过气来：大量工厂中排放的PM2.5充斥着我们呼吸的空气。这些直径在2500纳米左右的颗粒物对于可见光的波长来说简直就是巨无霸。任何波长的可见光遇到这样一个拦路虎都会发生漫反射而不是散射。由于在反射中并没有”波长歧视“，到达地面的光仍然和太阳光一样是白色的；但又因为一部分光线被”反弹“而无法到达我们的眼睛里，还有一部分光线被颗粒物所吸收，天空于是变成了很暗的灰色。长期处于这种环境中，不但使人负能量爆表，喘气困难，而且各位老司机开车的时候还极容易发生交通事故。所以当污染加剧的时候，调色师太阳就会改变他的画风来敲响警钟：请还我一块洁净的画布，为了你们这颗小小星球上蓝色的天空。 |
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