为什么天空是蓝色的？
每当我们全家去海滩度假，我的女儿总会问我一个问题：“爸爸，为什么天空是蓝色的呀？”虽然在她小时候，我的物理学知识还非常薄弱，但是我已经完全能够凭借已有的知识给她一个客观、科学的答复了。但是，我的女儿毕竟只有6岁多，她无法理解科学性的解释，所以，为了让她明白，我用我妈妈小时候回答我的方式回答了她的问题：“天空是蓝色的，是因为它反射了海洋的颜色呀，亲爱的。”在我看来，这个回答足以说服她。但是，我女儿听到这句话后，立刻抬起头来又问了另一个问题：“那为什么不是海洋反射了天空的颜色呢，爸爸？”
除了云彩、污染和黑夜的特殊情况，天空始终是蓝色的。如果是绿色或者紫色的天空，抑或像爱德华·蒙克的著名画作《呐喊》的天空颜色都不是正常的颜色。
那么，天空为什么是蓝色的？我们都知道太阳的光线是无色的，或者说是白色的。然而，天空的蓝色恰好与白色的太阳光线有联系。之前的章节中，我们已经提到过，白光就是所有可见光的集合（从能量最低、波长最长、频率最低的红光算起）。肉眼可以看见这个范围的光线是适应和进化的结果。
在红光之外，在电磁光谱上，还有红外线（就是有体温的生物身体中发出的光，很多夜视仪能够探测到人体的红外线）和无线电波（收音机发出的电波）。这些波的频率比可见光波的频率更低，产生的能量也更低。
在蓝光之外，有紫外线（太阳光中含有大量紫外线，会使皮肤产生灼热感）、伽马射线（主要产生于核反应中，对人类有很大的危害作用，是超级英雄电影中不可或缺的元素）。这些光波的频率比可见光波的频率更高，因此能量更大。所有的光波中，人类只能看见可见光，也就是从红光到蓝光这一段，其他的光波都是肉眼看不到的。还有很多时候，我们会听到电磁辐射这个说法，电磁辐射是将电场和磁场中产生的震动效应延伸到了空间中。
科学逸事：我们看到的这个世界和这个世界原本的面貌并不完全一致，我们接收到的画面是基于感官可以接收到的信号形成的。我想说的是，这个世界存在着人类看不到的光线和听不到的声音（众所周知，狗可以感知某些人类听不见的声波，也就是超声波）。天文物理学家通常会利用不同频率的光波来观测天空，并且发现，通过不同的观察工具，如在可见光望远镜、X光望远镜、无线电波望远镜和紫外线望远镜下，天空展现出的情景都是完全不同的。所以，宇宙在每一个频率的光线之下都有一个独一无二的面貌。
现在，在简单了解了关于不同光波的基本种类后，我们再次回到一开始的问题：为什么天空是蓝色的？这是因为地球上存在大气层。当太阳发出的白光经历了8分30秒的传播抵达地球大气层时，会出现瑞利散射现象（瑞利散射规律是由英国物理学家瑞利勋爵于1900年发现的并因此得名）。瑞利散射发生的条件是粒子尺度远小于入射光波长（小于波长的十分之一），表现为其各方向上的散射光强度是不一样的。
瑞利散射是指散射光线传播路径同入射光线的传播方向之间存在偏离，散射光线的强度与入射光线波长的四次方成反比，也就是说，波长愈短，散射愈强。另外，由于光波的波长很大程度上决定了散射强度，因此短波光和长波光之间的散射效应差距很大（毕竟是四次方）。
由于瑞利散射的强度与波长四次方成反比，所以太阳光谱中波长较短的蓝紫光比波长较长的红光的散射更明显，而短波中又以蓝光的能量最大。在大气分子的强烈散射作用下，红光经过大气层后依然沿原直线传播，形成了黄昏时分人们肉眼看到的太阳外圈的红色光晕，而蓝色光被散射至弥漫天空，天空即呈现蔚蓝色。当我们望向天空时，蓝光会进入我们的双眼。另外，同样由于蓝光的散射，我们看到的太阳是有一些发黄的。但是，在大气层之外看到的太阳是白色的，和宇宙的一片黑暗形成了强烈反差。所以，如果没有大气层，地球上就不会有所谓的“天空”，而是一片黑暗罢了。
流行小知识：“我的沉默是蓝色的，你的天真是蓝色的，我们的拥抱是蓝色的。”这是《蓝色》—我最爱的歌曲之一里面的歌词。为什么这些东西是蓝色的呢？可能是因为蓝色总会让人联想到和平与安静，在某种程度上，它代表了一种比较平和的精神状态，或者是消极、抑郁、悲伤的心情。这可能是因为，在盎格鲁 — 撒克逊文化中，蓝色是悲伤的同义词（feel blue即感到忧伤之意），带着淡淡哀伤的音乐风格被称为“蓝调”。另外，还有蓝色周一这个说法—一月的第三个周一被认为是一年中最让人抑郁的一天，甚至还有一个伪科学公式来说明悲伤的来源：公式的参数包括了圣诞节购物后账户上的余额、离圣诞假期结束的时间、冬天的寒冷以及每个周一固有的工作压力。在西班牙，类似的说法是“一月水逆”。
为什么会出现散射呢？这是因为光线不只是一种波，从量子物理的角度来看，光还具有波粒二象性。构成光波的微粒叫光子，是爱因斯坦在研究光电效应时发现的。因为光电效应，所以当我们在商场门口时，只有有人出现门才会自动打开。光伏电板发电也是光电效应的应用。我们可以把光线想象成一束包括了各种不同能量的光子的集合，这些光子进入大气后，会和大气中的尘埃、水滴相互作用，产生散射，照射路径也会随之发生变化。由于蓝光的光子能量最高，这些光子也就被散射得最广，分散在天空里，让天空显示出蓝色，而不是绿色或紫色等。
我把“为什么天空是蓝色的？”这个问题发表在了各大社交网站上。
这里有一些充满智慧的评论：
@Heichou_bicho: 因为世界上大部分人都不是色盲。
@MisTuiters: 因为有滤镜。
@Samuel Baena Hayas: 对于独眼巨人（希腊神话中西西里岛的巨人）来说，天空是红色的。因为他只能看到红色。