天空為什麼是藍的？原因並不像常見的答案裡說的那樣，是由於「大氣中的塵埃以及其他微粒散射藍光的能力大於散射其他波長較長的光子的能力」。
與可見光的波長（約400納米~700納米）相比，空氣中的塵埃和小水珠之類的微粒，可以稱得上是龐然大物。就以最近比較讓人氣短的PM2.5來說，指的就是空氣中懸浮著的尺度小於等於2.5微米的顆粒物造成的汙染。2.5微米就等於2500納米，遠遠大於陽光中可見光的波長，因此當陽光遇到這些顆粒物的時候，它們會向不同的方向反射。但是，這樣的反射對於不同波長（或者說不同顏色）的光來說，效果都是相同的。換句話說，塵埃之類的顆粒物反射出來的，仍然是包含所有顏色的白光。不信嗎？等PM2.5之類的空氣汙染指數再次爆表時，抬頭看看天空是什麼顏色就知道了——應該說，你看不到天空，只能看到白茫茫的一片才對……
那麼，天為什麼是藍的呢？其實，空氣中確實存在大量尺度比可見光波長更小的微粒，就是空氣中的多種氣體分子，比如氧氣和氮氣分子的「直徑」都是0.3納米左右。遇到這些氣體分子的時候，有些光子就會被吸收。一段時間之後，分子又會釋放出另一個光子。放出的光子跟吸收的光子顏色相同，但是方向變了。雖然所有顏色的光子都會被吸收，但頻率較高（即顏色較藍）的光子比頻率較低（顏色較紅）的光子更容易被吸收。這個過程被稱為瑞利散射，是以19世紀70年代最先描述這一過程的英國物理學家約翰·瑞利爵士的名字命名的。
那麼，藍色光更容易與空氣分子發生瑞利散射，又怎麼會產生藍天呢？先做個簡單的假設，如果不存在任何空氣，天會是什麼顏色？雖然我們大多數人都沒有上過太空，但從阿波羅登月的紀錄片中可以看到，月亮上哪怕太陽當空照，天空仍然是黑色的。原因嘛，看看下圖就知道了：
由於空氣中存在瑞利散射，情況就完全不同了，陽光在大氣中傳播的途中，偏藍色的光更容易發生瑞利散射而被偏折到了與陽光原來傳播的方向不同的方向上。於是，我們就算不直對著太陽看，而是朝天空中的其他方向上看，也總有被空氣分子散射的光子（更多的是藍光）射入我們的眼睛，於是就看到了藍天。就如下圖所示。
「天空為什麼是藍色？」正確的物理解釋完成於１９１０年，迄今整一百年。「天藍」物理學的一個重要應用，是光纖通訊，即高錕先生去年獲得物理諾貝爾獎的項目。
「天藍」物理學似乎很普及。凡是看過「十萬個為什麼」的初中生，都能說出它的「標準答案」：「空氣中會有許多微小的塵埃、水滴、冰晶等物質，當太陽光通過空氣時，波長較短的藍、紫、靛等色光，很容易被懸浮在空氣中的微粒阻擋，從而使光線散射向四方，使天空呈現出蔚藍色。」
中文世界中，大小權威的教育和科學網站，大多仍採用上述「標準答案」，幾乎一字不差。
這個「天藍」解釋，基本上是十九世紀中葉的水平。它是英國物理學家丁鐸爾（Ｊｏｈｎ Ｔｙｎｄａｌｌ，１８２０－１８９３）首創的。常稱作丁鐸爾散射模型。確實，「波長較短的藍色光，容易被懸浮在空氣中的微粒阻擋，……散射向四方」。但它並不是「天藍」的真正原因。如果天藍主要是由水滴冰晶等微粒的散射引起的，那末，天空的顏色和深淺，就應隨著空氣溼度的變化而變化。因為當溼度變化時，空氣中水滴冰晶的數目會明顯變化。潮溼地區和沙漠地區的溼度差別很大，但天空是一樣的藍。丁鐸爾散射模型解釋不了。到十九世紀末葉，丁的天藍解釋已被質疑。
１８８０年代，瑞利（Ｊｏｈｎ Ｒａｙｌｅｉｇｈ，１８４２－１９１９）注意到，根本不必求助塵埃、水滴、冰晶等空氣中的微粒，空氣本身的氧和氮等分子對陽光就有散射，而且也是藍色光容易被散射。所以，空氣分子的散射就可以作為「天藍」的主因。
然而，各個分子有散射，不等於空氣整體會有藍色。如果純淨的空氣是極均勻的，分子再多也沒有「天藍」。就像一塊極平的鏡子，只有折射或反射，而極少 散射。在均勻一致的環境中，不同分子的散射相互抵消了。就如在一個集體紀律超強的環境（如監獄）中，每個人的獨立和散漫行為被徹底壓縮。而「天藍」靠的就是分子各自的獨立和相互不幹涉，或少幹涉。
為此，瑞利假定，空氣不是分子的「監獄」。相反，氧和氮等分子，無規行走，隨機分布。瑞利由這個模型算出的定量結果，很好地符合天藍的性質。１８９９年，瑞利寫了一篇總結式的文章「論天空藍色之起源」［１］，開宗明義就說：「即使沒有外來的微粒，我們依舊會有藍色的天」。
「外來的微粒」即指丁鐸爾散射所需要的。從此，丁鐸爾的天藍理論被放棄。瑞利散射成為「天藍」理論的主流。
瑞利的天藍理論雖然很成功，瑞利的分子無規分布假定，也有根據。然而，瑞利實質上還要假定空氣是所謂理想氣體，這是一個不大的，但也不可忽略的弱點。因為空氣不是理想氣體。
１９１０年，愛因斯坦最終解決了這個問題。愛因斯坦用當時剛剛發展的熵（混亂的度量）的統計熱力學理論證明：那怕最純淨的空氣，也是有漲落起伏的。空氣本身的密度漲落也能散射，也是藍色光容易被散射。密度漲落的散射，不多也不少，正好能產生我們看到的藍天。如果空氣是理想氣體，愛因斯坦的結果就同瑞利的一樣。所以，簡單地說，天空藍色之起因是：
「空氣中有不可消除的『雜質』，即空氣自身的漲落。密度漲落等對陽光的散射，形成了藍天。」
「天藍」起源物理不是愛因斯坦首創，但最完整的理論是愛因斯坦奠定的。所以說，「天藍」物理學，完成於１９１０年。
瑞利和愛因斯坦的「天藍」理論，是普遍適用的。可以用來解釋純淨空氣中的「藍天」現象，也可以用來解釋純淨的水，純淨的玻璃等液體或固體中的「藍天」現象。當然，也有該理論不適用的地方。多年前，聽到過有人對著「藍天」發（歌）情，「我愛祖國的藍天」，千萬不要誤聽為「我愛祖國的獨立而又無規遊蕩的分子們」。
高錕先生在他為「光纖通訊」奠基的第一篇論文中引用的第一個物理公式，就是愛因斯坦的「天藍」瑞利散射公式（即Ｅｉｎｓｔｅｉｎ－Ｓｍｏｌｕｃｈｏｗｓｋｉ公式）。玻璃是凝固了的液體。即使最理想的玻璃，沒有氣泡，沒有缺陷，玻璃中依舊有不可消除的『雜質』，即玻璃本身的不可消除的漲落。在光纖中傳播的訊號（光波），會被玻璃的漲落散射。「天藍」機制，是光纖通訊訊號損失的一個物理主因。它是不能用光纖製造技術消除的。只能選擇「不太藍」的光，減低它的影響。
（來源：果殼網）