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爱因斯坦125天空为蓝解释、劳布、施普林格10.10

    爱因斯坦125天空为蓝解释、劳布、施普林格10.10

    在临界点附近,照射于介质的光束会被介质强烈散射,这现象称为临界乳光。波兰物理学者马里安·冯·斯莫卢霍夫斯基(MarianvonSmoluchowski,1872年-1917年)于1908年首先表明,临界乳光的机制为介质密度涨落,但他并没有给出相关的方程。

    两年后1910年10月,爱因斯坦论文《关于均匀流体及混合液体在临界状态附近的乳光现象的理论》应用统计力学严格论述介质的分子结构所形成的密度涨落,从而推导出相关的方程,并且用这方程给出另一种计算阿伏伽德罗常数的方法,更有意思的是,这临界乳光的机制可以解释天空呈蓝色的现象。

    按照瑞利散射理论,瑞利散射光的辐照度和入射光波长的四次方成反比。应用瑞利散射来解释天空的蓝色现象,波长较短的蓝光比波长较长的红光更易产生瑞利散射。因此,天空的颜色是蓝色的。瑞利散射方程能够准确地描述光束对于气体的瑞利散射行为,但对于液体并不适用。爱因斯坦的临界乳光理论更一般地适用于液体与气体;瑞利散射只是临界乳光问题的一个特别案例。后来,布鲁诺·齐姆分析粒子在气体与液体里的随机性,将瑞利散射理论加以延伸来描述光在液体里的散射行为。

    瑞利散射(Rayleighscattering),由英国物理学家约翰·斯特拉特,第三代瑞利男爵(JohnStrutt,3rdBaronRayleigh)的名字命名。它是半径比光或其他电磁辐射的波长小很多的微小颗粒(例如单个原子或分子)对入射光束的散射。瑞利散射在光通过透明的固体和液体时都会发生,但以气体最为显著。在大气中,太阳光的瑞利散射会导致弥漫天空辐射,这也是天空为蓝色和太阳偏黄色的原因。

    瑞利散射适用于尺寸远小于光波长的微小颗粒,和折射率接近1的光学“软”颗粒。当颗粒尺度相似或大于散射光的波长时,通常是由米氏散射理论、离散偶极子近似和其它计算技术来处理。

    米氏散射(Miescattering),当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射。这种散射主要由大气中的微粒,如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起。米氏散射的散射强度与频率的二次方成正比,并且散射在光线向前方向比向后方向更强,方向性比较明显。米氏不同于瑞利散射呈对称状分布,而是散射在光线向前的方向比向后的方向更强,方向性比较明显。当颗粒直径较大时,米氏散射可近似为夫琅禾费衍射。在光学上,夫琅禾费衍射(以约瑟夫·冯·夫琅和费命名),又称远场衍射,是波动衍射的一种,在场波通过圆孔或狭缝时发生,导致观测到的成像大小有所改变,成因是观测点的远场位置,及通过圆孔向外的衍射波有渐趋平面波的性质。

    瑞利散射光的强度和入射光波长的四次方成反比,因此,波长较短的蓝光比波长较长的红光更易产生瑞利散射。瑞利散射可以解释天空为什么是蓝色的。

    白天,太阳在头顶,当太阳光经过大气层时,与空气分子(其半径远小于可见光的波长)发生瑞利散射,因为蓝光比红光波长短,瑞利散射发生得比较激烈,被散射的蓝光布满了整个天空,从而使天空呈现蓝色,但是太阳本身及其周围呈现白色或黄色,是因为此时看到更多的是直射光而不是散射光,所以日光的颜色(白色)基本未改变——波长较长的红黄色光与蓝绿色光(少量被散射了)的混合。但因为人眼对不同颜色的敏感度不同,以黄绿色敏感度最高,往两边呈钟形分布,因此人眼对蓝色的敏感度远大于紫色,所以即使散射的可见光波长中紫光能量最高,人眼看起来仍是蓝色。

    当日落或日出时,太阳几乎在我们视线的正前方,此时太阳光在大气中要走相对很长的路程,所看到的直射光中的蓝光大量都被散射了,只剩下红橙色的光,这就是为什么日落时太阳附近呈现红色,而云也因为反射太阳光而呈现红色,但天空仍然是蓝色的,只能说是非常昏暗的蓝黑色。如果是在月球上,因为没有大气层,天空即使在白天也是黑的。

    1910年10月11日,爱因斯坦给学术小兄弟雅各布·劳布回了一封信,要付给其代购书费,因为他知道劳布财务并不自由:

    “亲爱的劳布先生!

    这件事(关于Born问题的研究)还是只以您的名义来做吧。毕竟,我根本不想讨论这个问题。

    尽管我请您不要破费,但收到您所允诺的这本入门书和您的来信,我将很高兴。不过,请把您的开销告诉我,毕竟,您不是百万富翁。”

    现在,爱因斯坦基本确定要接受奥匈帝国哈布斯堡教育部处长马克斯·赫萨卡·冯·海因莱因(MaxHussarekvonHeinlein,1865年-1935年)9月17日给爱因斯坦发来的入职布拉格德文大学的邀约,为此,9月24日他还到维也纳跑了一趟,在信中他将这一喜讯也分享给了劳布:

    “布拉格那边现在基本上已经定了。不过,请替我保密,以免我又成为别人谈论的话题,那样事情就会落空了。”

    临界乳光论文已经提交,接下来爱因斯坦向劳布畅想自己近期的研究计划和工作安排:

    一是分子力;

    二是英国物理学家、电子的发现者、诺贝尔物理学奖获得者、第三任卡文迪许实验室主任和英国皇家学会会长约瑟夫·约翰·汤姆逊(JosephJohnThomson,1856年12月18日——1940年8月30日)的辐射理论;

    三则是苏黎世大学理论物理学副教授的备课任务:

    “关于乳光的那篇论文已经给《物理学年鉴》送去了。我真高兴。

    现在我打算从事一点儿有关分子力的研究(注:爱因斯坦早期的论文1900年12月16日的《从毛细现象得出的结论》研究过,以万有引力类比分子力),并想对约瑟夫·约翰·汤姆逊的辐射理论进行批判性研究。

    但是新的学期快要开学了,我还没备课,所以我不知道我是否能抽出时间做这件事。

    谨致最良好的祝愿。您的

    爱因斯坦”

    在信的最后,爱因斯坦还明目张胆的的让劳布向保罗·赫兹(PaulHertz,1881年-1940年)问好,劳布在1909年5月16日给爱因斯坦的信中提及赫兹想独吞科研成果,把科研当成前途来看待,当时,爱因斯坦还调侃了赫兹的为人俗不可耐,后来,两人却交好了:

    “我的妻子和孩子也向您问好。

    请代我向泡克尔斯先生尤其是保罗·赫兹致以问候。”

    (注:弗里德里希·泡克尔斯,FriedrichPockels,德国物理学家,1893年发现光介质在恒定或交变电场下会产生光的双折射效应,这是一种线性电-光效应,并且其折射率的改变和所加电场的大小成正比,这种现象被称为泡克尔斯效应。)

    继1907年10月3日德国莱比锡的托伊布纳(B.G.Teubner)出版社(《爱因斯坦80》)和1908年11月2日莱比锡希泽尔(S.Hirzel)出版社给爱因斯坦发了书稿邀约后(《爱因斯坦97》),现在1910年10月25日,德国的朱利叶斯·施普林格(JuliusSpringer)出版社也发来了书稿邀约:

    “致苏黎世教授爱因斯坦博士先生

    非常尊敬的先生!

    我可否问您一下,您在不久的将来是否有什么写作计划?我可以为您的计划的实现提供服务。如果有一天您选中我的公司作为您的出版者,我会感到莫大的荣幸。

    谨致最崇高的敬意和最良好的祝愿。您的忠实的

    费迪南德·施普林格”

    (注:费迪南德·施普林格,FerdinandSpringer,1881年-1965年,施普林格出版社合股人,负责自然科学方面的出版物。

    施普林格出版社,亦称“施普林格出版集团”。世界上最有影响的科技出版社之一。1842年5月10日成立于柏林,创始人为约刘乌斯·施普林格。)

    现在虽然已经贵为苏黎世大学理论物理学副教授了,而且爱因斯坦也已经基本确定要跳槽到布拉格德文大学,但他尚未实现财务自由,所以,为了自己一个新开的1小时讨论班课程,爱因斯坦也不得不花心思让财务部门及时表明收费标准,自己得赚钱养家。

    为此,10月26日他致函苏黎世大学会计办公室记得说明自己的讨论班是收费的:

    “苏黎世大学会计办公室

    尊敬的先生!

    如果还可以安排的话,我想请您标明讨论班的收费仅为5法郎,亦即,按校方规定说明这是一份1个小时的讨论班[辅导]费。

    物理学副教授

    阿尔伯特·爱因斯坦”