童年十万个为什么之——天空为什么是蓝色的？

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天空为什么是蓝色的？这个问题可能很多人小时候都问过或者思考过，其中一部分人可能直到长大以后都依然没有弄明白它，所以今天，我们来尝试弄清这个童年的问题。

要解释天空为什么是蓝色之前，也许我们需要先搞清楚为什么会有颜色。人类，也包括绝大部分的地球生物，最早接触的光就是太阳光，因此，我们的视觉系统都是为了适应太阳光而演化出来的，我们视觉系统所能感受到的光称为可见光。如果小时候用肉眼直视过高空的太阳的好奇宝宝可能就会知道，太阳是一个刺眼的白色圆盘。（白天直视太阳会灼伤视网膜，造成视力永久性损伤，切勿尝试！）因而对于我们人类的视觉系统来说，太阳光是白色的，就是正午直视太阳时所能看到的颜色。（白色光跟白色物体不同，白色光就是没有颜色的光）

直到17世纪一位天才的出现，完全改变了人们对太阳光的认知，这位天才就是人类历史上最伟大的科学家牛顿。他发现当一束白色的太阳光通过了三棱镜以后，会分解成一条彩色的光带，仿佛太阳光散开了，这就是我们现在所说的太阳光色散现象。

色散现象表明太阳光并不是无色的白光，而是由不同颜色的光所混合而成的，当这些不同颜色的光叠加在一起，就会成为无色的白光。

现在，科学家已经知道光是一种电磁波，那些不同颜色的光就是不同波长的电磁波，这些不同波长的电磁波穿过透明介质的时候，会产生不同程度的折射，波长越短，折射率越低，波长越长，折射率越高。这就导致了包含不同颜色光的太阳混合白光在进入三棱镜后，波长较短的紫光被偏转得更厉害，而波长较长的红光则偏转的角度更小，因而导致一束白光被不同的偏转角度分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的光。

知道了不同波长对应不同颜色，那么问题来了，我们又是怎样感受到不同波长对应的颜色的呢？答案是我们视网膜上的视锥细胞。正常人的眼睛拥有三种不同的视锥细胞，它们对不同波长的光敏感，所谓的敏感其实就是能通过不同波长光刺激产生不同强度的神经冲动，而我们的大脑就会把这些不同的神经冲动处理成不同的颜色的视觉感受。大家知道个大概就好，视觉的工作原理这里不详述。

这三种视锥细胞响应光刺激最敏感的峰值波长分别是570nm、535nm、445nm，在我们的视觉里对应了红、绿、蓝三种颜色。如下图：

从图中的曲线分布（代表波长敏感范围）可以看到，视锥细胞对红、绿光对应的波长更为敏感。

知道了我们感受颜色的原理之后，我们就可以来解释我们为什么看见天空是蓝色的了，首先从视觉上看，我们能看到天空是蓝色的原因就是，我们对445nm波长敏感的蓝色视锥细胞接收到大量光信号，而红、绿颜色视锥细胞没有或者只接收到少量光信号。这意味着天空充满的是波长较短的可见光。

那么为什么天空中只有波长较短的可见光？原因就在于空气中的气体颗粒太小，太阳光里波长较长的可见光会直接绕过这些微小的气体分子直射到地面，而不会在空气中被吸收和散射，只有那些波长较短的可见光会被这些细小的气体分子吸收和散射，因此大气中散射的光基本都是波长较短的光。

那么问题来了，波长更短的不是紫光吗？为什么我们看到的天空不是紫色而是蓝色的呢？原因就是前面说的视锥细胞的敏感性，我们对短波长较为敏感的视锥细胞是蓝色视锥细胞，其最为敏感的峰值波长（445nm）对应的是蓝色而不是紫色，说白了就是我们的眼睛对紫色不敏感，因此虽然天空实际上也散射了大量的紫色光，但我们看到的天空颜色依然是蓝色的。