为什么海水看着比天空更蓝？

蓝天，也就是包裹着地球的一层大气，在天气晴朗时它呈现为蓝色，同样地，大海在天气晴朗的时候，也是蓝色。空气跟大海本身是没有颜色的，他们看起来为什么是蓝色这一问题，英国物理学家瑞利提出了一个解释：这是由于光的散射造成的。

什么是散射？

光的散射是指，由于物质（气体，液体或固体）中存在微小的粒子对光束的作用，使得光波偏离原来的传播方向而四周散开的现象。在高层的空气中，分子的热运动造成各个地方的空气密度不同，也会引起散射。

（图源：作者自制）

现在我们能解释，为什么天空是蓝色的了。阳光中的蓝色光在大气中的散射效应要强于其他颜色的光，在太阳光穿过大气到达地面的过程中，蓝色的光被散射到大气层的各个方向，在人眼看来，大气层也就变成了蓝色。

海水更加蓝的原因?

成功解释天空呈现蓝色现象的物理学家瑞利，在解释海水的颜色上却折戟了，他认为海水所呈现出的深蓝色与水的颜色没有关系，海水只是反射天空的颜色。印度物理学家拉曼反驳了这一观点，并提出了正确的解释。

（拉曼，图源wikipedia）

拉曼乘船前往英国进行访问，航行到英国需要数个月的漫长旅途。拉曼在声学方面的造诣颇深，他同时还对光学以及光的散射有比较浓厚的兴趣。他时常拿着棱镜，望远镜等光学仪器观察海洋。越观察，越发觉得瑞利对海洋呈现颜色的解释站不住脚。如果说，大海是反射天空的颜色，那大海的蓝色就应该跟天空的颜色是一样或是更浅一些，好比一个人照镜子，镜子中人的颜色与本人的颜色是相同的。实际上，大海的颜色却要深一些。

拉曼在航行中不断思考这一问题，并在回到印度之后对六十种不同的液体进行研究，将这一现象与量子理论（在当时非常新的一种物理理论）相联系起来，最终提出了新的散射理论——拉曼散射。拉曼提出的这一理论最终让他在1930年获得了诺贝尔奖。

拉曼对于海水颜色的解释是这样的：光在水中也会发生散射，但不仅仅是说光的方向发生改变，光的颜色也会产生改变。蓝色的光被水分子散射时，一大部分光的颜色都是没有改变的，但有一小部分光在与水分子碰撞时，损失或是得到了一部分能量，光的能量相比以前就变化了。在人眼看来，这部分光就由蓝色变成了深蓝色。

为什么会这样呢？实际上，能量不同的光，在人眼看来是颜色不同的光。当光的能量经过碰撞或是其它效应改变之后，在人眼看来，它的颜色也随之改变。红橙黄绿蓝靛紫，他们的能量依次提高。

（拉曼散射与瑞利散射图解，作者自制）

瑞利散射应用目前，由思考天空的蓝色而得出的瑞利散射理论，现在被用来在室内制造逼真的“人造蓝天”。现在绝大多数的室内灯光，在人眼看起来与自然光还是有差距的，如果利用瑞利散射，那就能够得到更加贴近自然环境的光线，还能在室内拥有一块小小的蓝天。

这类灯具能够模仿蓝天的原因是，它配备了一种特殊的板子——瑞利散射板。这个板子有透明的树脂加上尺寸微小的金属粒子制成，灯具的光源发出白光之后，经过瑞利散射板时会产生剧烈的瑞利散射，从而使得整块板子看起来与天空的颜色别无二致，而发出的光也与自然光比较类似。短短数毫米厚的板子，便能替代数公里厚的大气层。

成分不同的粒子，对光的散射效应也不一样。在一个玻璃杯中盛满清水，然后向其中添加少许牛奶，会发现水很快就变成乳白色不透明的，这是因为牛奶中的微粒对所有颜色的光都有剧烈的瑞利散射现象，使得水变成了乳白色，不透明。两种粒子，一个对蓝光的散射作用更强，一个对所有光的散射作用都很强，最终在宏观上呈现出不同的现象。

交通灯选取红色与绿色而不选用蓝色，也考虑了它们大气中的瑞利散射程度大小，蓝色的瑞利散射太大，可见距离不如红色和绿色。

拉曼散射应用

相比与瑞利散射，拉曼散射发挥作用的地方就更加地精细。这一现象能够被用于识别各种各样的分子，鉴定材料都由什么物质组成。

前边讲到，一种颜色的光，在与空气分子或是水分子等小分子碰撞时，会发生瑞利散射（颜色不变，方向改变），拉曼散射（颜色改变，方向也改变）。同种颜色的光在与不同物质分子产生拉曼散射现象时，颜色的改变程度是不一致的。

两杯水中分别融入糖和盐，人眼是无法辨别的，但如果让能量相同的光分别经过这两杯水，就能够根据光与不同的分子碰撞发生拉曼散射后产生的不同颜色的光，来分辨水中溶解的到底是什么物质。这种根据光的颜色来区分物质的方法，已经得到了广泛的应用，在全世界各大实验室以及食品检测机构，有专门的仪器来进行该项工作，他们统称为光谱仪。

（拉曼光谱仪，图源wikipedia）

而利用拉曼散射效应制成的光谱仪称之为拉曼光谱仪，它是各类光谱仪器中灵敏度非常高的哪一类，即便某种分子在物体中的含量非常少，也能够通过拉曼光谱检测出来。因而，各种分子的拉曼散射特性，又被称为“分子指纹”，彰显该技术的准确性与灵敏性。

结语

光，照亮了五彩斑斓的世界。随着人类对光本质的了解越加深入，对光与各种物质的研究越加充分，光已经成为我们认识与改造世界的强大工具。

参考文献：

[1] Raman C V .Transparency of liquids and the colour of the sea[J].Nature Publishing Group, 1922.DOI:Raman, C. V. (1922) Transparency of liquids and the colour of th.

[2]郁道银,谈恒英.工程光学.第3版[M].机械工业出版社,2011.

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[4] Young A T .On the Rayleigh-Scattering Optical Depth of the Atmosphere[J].Journal of Applied Meteorology, 1981, 20(3).DOI:10.1175/1520-0450(1981)0202.0.CO;2.

作者：吴庆中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 研究生

审核：李明中国科学院高能物理研究所 研究员

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