唐诗中的物理学 | 弦论世界+妈咪说科普周哲

昨晚朋友圈开启了晚霞摄影大赛，配文也是充满了诗意。“大漠孤烟直，长河落日圆。” “一道残阳铺水中，半江瑟瑟半江红。”“落霞与孤鹜齐飞，秋水共长天一色。”精美绝伦的诗句把晚霞定格在了那一瞬间。

诚然，在唐诗中类似写实的诗句数不胜数，如果你细细品味，就会发现其中包含了各种物理学现象。比如说王维在《鹿柴》中写道：“空山不见人，但闻人语响。”为什么看不见人却可以听见声音呢？因为声音可以在空气中传播，遇到山体声波发生了各种反射，形成了只闻其声不见其人的独特现象。比如李白在《月下独酌·其一》中写道：“举杯邀明月，对影成三人。”为什么对影成三人？这里有两种说法，第一种三人指的是李白、李白的影子和月影。第二种说法是李白、李白的影子和酒杯中李白的影子。无论李白想表达的是哪种说法，这其中都蕴含着光沿直线传播和光的反射原理。再比如李白在家喻户晓的《望庐山瀑布》中写道，“日照香炉生紫烟，遥看瀑布挂前川”，意思是香炉峰在阳光的照射下生起了紫色的烟雾，从远处看去瀑布就像是白色绢绸悬挂在山前。为什么日照香炉会生紫烟呢？或者我们问一个更加常见的现象，天空为什么是蓝色的呢？为什么晚霞是红色的呢？其实这些现象都和光的折射与散射有关。

太阳光中包含了各种频率的电磁波，其中一小部分是我们能够看到的可见光。当全部可见光都进入人眼的时候，我们看到的就是白色的亮光。而当太阳光透过三棱镜的时候，可见光会发生色散现象，不同频率的光会按照不同的角度折射出来，因此呈现出不同的彩虹色，红橙黄绿蓝靛紫，彩虹的成因也正是如此，空气中的小水滴充当了三棱镜。

下面来揭晓天空为什么是蓝色的这个问题的答案。当光线进入大气层的时候，会发生不同程度的散射现象。物理学家瑞利发现，散射光的强度与入射光波长的四次方是成反比的。

简单来说，波长短的蓝光比波长较长的红光更容易发生散射。这个结论就是瑞利散射定律。也就是说，当太阳光进入大气层的时候，波长短的蓝光会率先被散射，导致大气层看起来是蓝色的。而波长更长的红光则更容易穿透大气层保留下来。这也是生活中的高楼顶端的航空障碍灯、汽车的雾灯都是红色的原因，在极端天气下，红色的穿透性更强，更容易被人们发现。

但，红色的光穿透性强，不代表它不会发生散射。如果大气的厚度再厚一些，就该轮到红色的光发生散射了，白天的天空也就会变成红色！所以天空是蓝色的，某种程度上也是我们大气层的厚度决定的。那么“一道残阳铺水中，半江瑟瑟半江红”的晚霞为什么是红色的呢？想必你已经知道答案了，因为傍晚的太阳是斜射入大气层的，因此光线走过的路径会更长一些，这个大气的厚度让红光也开始散射了，因此我们看到的晚霞都是红紫色的。

至此，我们也就可以理解“日照香炉为什么会生紫烟”了，很有可能是诗仙李太白在香炉峰看到了晚霞！晚霞的光辉照射在香炉峰顶，像是紫色的烟雾一般，如诗如画。

当然也有人在文学层面尝试解释，在汉·刘向《列仙传》中记载：“老子西游，关令尹喜望见有紫气浮关，而老子果乘青牛而过也。”因此常用成语“紫气东来”来表达吉祥、顺利。李白也是用文学的手法用想象的紫色来描写香炉峰。但其实“紫气东来”中的紫色也不是臆想的颜色，如果“紫气”是晚霞的余晖，那不应该“东来”，所以只剩下一种可能，紫气东来中的“紫气”描写的正是朝霞的颜色！而朝霞的原理和晚霞一样，同样是因为太阳斜射入大气层，红光散射导致的。因为李白无论是早上还是晚上去欣赏香炉峰，都可能会看到“生紫烟”的美景。

总之，生活中很多现象都包含了有趣的物理学，只要保持一颗好奇的心，就能够既欣赏“落霞与孤鹜齐飞，秋水共长天一色”的美景，又能够发现美景背后的科学，美哉！