在上世紀70年代風靡全國的一套科普書《10萬個為什麼》,其中有一個問題,就是天空為什麼是藍色?這是一個大家很感興趣的問題,這本書裡面提供的標準答案是: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。
但是,這個答案是二百年前的解釋,來自於英國物理學家丁鐸爾,稱作丁鐸爾散射模型。但事實並非如此:
我們見到的太陽光,也就是可見光,波長約為400納米~700納米。而空氣中的微粒,相比波長而言,要大得多,簡直就是龐然大物。即使是我們知道的已經非常細小的霧霾顆粒,PM2.5,直徑小於等於2.5微米的顆粒物,2500納米,是波長的3-6倍,遠遠大於可見光的波長。當陽光遇到這些微粒時,光線會向不同的方向反射。所以,空氣中的微粒可以阻擋太陽光,霧霾天的時候,你看到的是灰濛濛的一片,遮天蔽日。
那麼,天空為什麼是藍的呢?其實,空氣中除了灰塵、水滴和霧霾顆粒之外,還存在大量比可見光波長更小的氣體分子,比如,地球大氣的主要成分氧氣和氮氣,這些氣體分子的直徑為0.3納米左右。光線遇到這些氣體分子的時候,一些光子被吸收,之後釋放出另一些光子。雖然,所有顏色的光子都會被吸收,但波長較短(偏藍)的光子,比波長較長(顏色較紅)的光子,更容易被吸收。這個過程被稱為瑞利散射,以19世紀70年代英國物理學家約翰·瑞利爵士的名字命名。
所以,天空為什麼是藍色的,原因是空氣中的大量氣體分子對光線的瑞利散射引起的。這個答案早就被改寫了。
再來看月球上的天空為什麼不是藍色的,而是黑色的,原因在於月球上是高度真空,沒有氣體分子,也就沒有瑞利散射。從月球上看星星,星星不會一閃一閃,因為邊緣很清晰,所以看起來也要小得多,就像針尖那樣銳利,肉眼反而不容易識別。而且在月球上的白天,月球表面的光線很亮,這些針尖狀的星星相比之下非常暗弱,銀河也沒那麼壯觀。
不管是白天還是黑夜,從月球上看星空,都是一片漆黑。