藍天，也就是包裹着地球的一層大氣，在天氣晴朗時它呈現為藍色，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，他們看起來為什麼是藍色這一問題，英國物理學家瑞利提出了一個解釋：這是由於光的散射造成的。

什麼是散射？

光的散射是指，由於物質（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週散開的現象。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：作者自製）

現在我們能解釋，為什麼天空是藍色的了。陽光中的藍色光在大氣中的散射效應要強於其他顏色的光，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?

拉曼乘船前往英國進行訪問，航行到英國需要數個月的漫長旅途。拉曼在聲學方面的造詣頗深，他同時還對光學以及光的散射有比較濃厚的興趣。他時常拿着棱鏡，望遠鏡等光學儀器觀察海洋。越觀察，越發覺得瑞利對海洋呈現顏色的解釋站不住腳。如果説，大海是反射天空的顏色，那大海的藍色就應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，並在回到印度之後對六十種不同的液體進行研究，將這一現象與量子理論（在當時非常新的一種物理理論）相&&起來，最終提出了新的散射理論——拉曼散射。

拉曼對於海水顏色的解釋是這樣的：光在水中也會發生散射，但不僅僅是説光的方向發生改變，光的顏色也會産生改變。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。

為什麼會這樣呢？實際上，能量不同的光，在人眼看來是顏色不同的光。當光的能量經過碰撞或是其它效應改變之後，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，作者自製）

瑞利散射應用目前，由思考天空的藍色而得出的瑞利散射理論，現在被用來在室內製造逼真的“人造藍天”。現在絕大多數的室內燈光，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境的光線，還能在室內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製成，燈具的光源發出白光之後，經過瑞利散射板時會産生劇烈的瑞利散射，從而使得整塊板子看起來與天空的顏色別無二致，而發出的光也與自然光比較類似。短短數毫米厚的板子，便能替代數公里厚的大氣層。

成分不同的粒子，對光的散射效應也不一樣。在一個玻璃杯中盛滿清水，然後向其中添加少許牛奶，會發現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，最終在宏觀上呈現出不同的現象。

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。

拉曼散射應用

相比與瑞利散射，拉曼散射發揮作用的地方就更加地精細。這一現象能夠被用於識別各種各樣的分子，鑒定材料都由什麼物質組成。

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分子産生拉曼散射現象時，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過這兩杯水，就能夠根據光與不同的分子碰撞發生拉曼散射後産生的不同顏色的光，來分辨水中溶解的到底是什麼物質。這種根據光的顏色來區分物質的方法，已經得到了廣泛的應用，在全世界各大實驗室以及食品檢測機構，有專門的儀器來進行該項工作，他們統稱為光譜儀。

而利用拉曼散射效應製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”，彰顯該技術的準確性與靈敏性。

結語

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

作者：吳慶中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 研究生

審核：李明中國科學院高能物理研究所 研究員