或許孩提時期的你也曾好奇過：天空為什麼是藍色的？在成長的過程中，「藍天」的概念逐漸被我們視為理所當然，從而不再回憶起這個問題。但今天這篇文章，我們將告訴大家「天空」背後的原理並不簡單，我們將深究其中的物理奧秘、解答這個埋藏在許多人回憶深處的疑問。
眺望著藍天白雲是一件療癒且解憂的事，從小到大，無論是美術課時的彩繪、語文課時授予的形容詞、抑或是我們親眼所見的景緻，天空總是藍色的、雲朵總是白色的；日出時分的天際、或者黃昏時分的晚霞，則往往是絢麗的紅色。但你曾想過——天空為什麼是藍色的？晚霞又為何是黃色、紅色、甚至紫色的？而夜晚抬頭仰望星空，為什麼又是一片漆黑？
值得注意的是，科學家在四百年前基本上便知曉了「彩虹」的成因，然而，「藍天」的成因是在19世紀才被證實；至於「黑夜之所以會黑」的原因，科學家們到近幾十年來才明確得出完善的解釋。為什麼黑夜比藍天整整晚了將近一個世紀被證實？以下將逐一為大家揭曉。
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天空為何是藍色的？
色散與虹彩
在開始回答這個問題之前，我們必須先瞭解幾個常見的光學現象——反射(reflection)、以及折射(refraction)。彩虹的成因便是反射與折射的結合：當陽光射入空中的水滴時，會經過折射、反射，回到我們的眼中。而在折射的過程中發生了「色散」(dispersion)，這時我們必須引入另一個重點：入射的陽光是白色的。「顏色」的根本成因在於「波長」的不同——而光是電磁波，由於一束白光可以被視為不同顏色波段的疊加，反過來說，當白光進入特定介質被折射出去時，便可能被拆分成不同波長的波段、反射入我們眼中時即呈現為各種不同的顏色，這就是「色散」的原理。
當光線經由特定角度（約42度角）進入水滴，就像陽光進入三稜鏡般、會被分離出各種顏色的波段，形成我們所熟悉的「彩虹」。正因為需要特定角度的反射，所以彩虹一般而言不會在正午時分出現（因為正午陽光是直射）、且比較常在雨後出現（因為需要有水滴作為介質）。
彩虹形成的原理在數百年前的西方、甚至是中國唐宋時代便被佐證，17世紀時笛卡爾便算出了彩虹形成的角度、爾後牛頓則透過三稜鏡實驗證明了色散的現象。
漫射與雲層
接下來，讓我們介紹一下天空漫射(diffuse sky radiation)，一言以蔽之，就是當陽光穿透大氣層時被各種分子、懸浮粒子散射。
現在請想像抬頭望見的天空佈滿微小的水滴分子，而陽光（白光）進入大氣層後、遂即被這一堆堆微小水滴以各種不同的角度反射至其他方向、有些則反射至你的眼中。理所當然地，在這畫面裡大概只有20%白色的陽光成功進入你的視線、其餘則被反射至其他方向。
因此，你現在畫面中的天空應當是白色的、或者甚至因為進入眼中的白光偏少而顯得有點灰暗——是的，前述那些小水滴，它們正是「雲層」——這個例子說明了為什麼「雲朵總是白色的」。若大氣中的水滴量更多、使得雲層夠厚，便會更少光線進入眼中，這也就是「烏雲」昏暗的原因。
瑞利散射
現在我們大致上瞭解了「白雲之所以為白」的原因。讓我們回歸主題 — — 天空為什麼是藍色的？
天空是藍色的原因與前述類似，無非是陽光進入大氣層後經歷反射、散射的過程，但由於陽光是白色的，並無法解釋天空何以是以迷人的藍色呈現於我們眼中。西元1871年起，瑞利男爵（Lord Rayleigh，他於1904年因發現「氬」(Ar)元素獲得諾貝爾物理學獎）發表了一系列論文，證明了天空呈現藍色的原理，該原理被稱為「瑞利散射」(Rayleigh scattering，又譯「雷利散射」)。
讓我們先來定義一下「散射」(scattering)這個名詞：當輻射或者粒子通過具有特定位能的區域時，會迫使原本的運動軌跡被改變。也許這麼解釋起來聽起來拗口，因此我們不妨想像一下：當太陽光進入大氣層後，會碰到空氣中各式各樣的分子，或許是水滴、或許是氣體分子、也或許是懸浮微粒（這些物體都具有特定的位能），隨後便會朝向其他不同方向「散射」而去。散射比較像是一個廣義的名詞，更強調的是介質（在這個例子中便是我們的大氣層）的「不均勻性」。簡言之，「反射」描述的是光線因接觸不同的介質而射回、「漫射」描述的是朝四面八方不同方向的反射現象、「散射」則更強調於光線路徑在微觀尺度下的「偏離」——這些詞彙相當類似，但卻不盡相同。
和普通散射不同的是，瑞利散射描述的對象是比水滴更微小的粒子（比如氣體分子），且闡明了光強度與波長的關聯性。由於雲朵是由雲滴這些空氣中的小水滴所形成，它們的半徑多半大於入射光的波長，因此，我們並不需要用到瑞利散射就可以解釋雲朵是白色的原因。現在，我們必須把前一小節「大氣中佈滿小水滴分子」的假設移除，當你腦海畫面中的天空是真正空無一物、只佈滿完全不可見的微小氣體分子時，瑞利散射便將派上用場。
瑞利散射告訴我們：
散射光的強度與入射光波長的四次方成反比。
換言之，當光線波長愈短，便愈有可能產生瑞利散射。那麼，波長和顏色有什麼樣的關聯呢？這時你可以參考上圖中的可見光譜，你會發現：紅光波長最長，再來是黃光、綠光，而藍光、紫光的波長則最短。也許你會問：太陽光不應該是白色的嗎？是的，但誠如我們早前提過的，白色的日光事實上是各種不同顏色波段的疊加。
因此，顯而易見的，由於藍光、紫光波長最短，當太陽光進入大氣層時，這些較短的波段最容易與大氣分子發生散射。當這些波段被散射後、便會瀰漫於天空，因此我們眼中所見的天空自然而然就會呈現這些顏色。
天空本應該是紫色的？
這時，聰明的你一定會發現一個疑點：我們提及了紫色光的波長最短，那麼，理應最容易被散射——但我們的天空為什麼並不是紫色的？
沒錯，紫光波長確實比藍光短，但這牽涉到了的不再是物理學的原理，而是生物學上「彩色視覺」形成的機制。我們之所以能辨識各種不同的顏色，是因為光線與視網膜上「視錐細胞」產生交互作用。如果把人眼對光線辨色的敏感度繪製出一張曲線圖，我們會發現人眼對於黃、綠最敏感，對於藍色其次，對於紫色則最不敏感。
因此，在短波長的區塊中，人眼對於藍色的敏感度相較於紫色略勝一籌，因此眼中所見的天空依然會是藍色的。
日出、日落、與傍晚的天空
既然天空是藍色的，那麼，日出、日落時分的天空為什麼是呈現橙色、甚至紅色的？
這其實也可以透過瑞利散射來解釋：在前一小節的假設中，我們假定的情況是日正當中的白天，那時的太陽光基本上是直射進入大氣層、大部分的藍色光被散射後基本上便直接進入我們的眼中。但如果是日出、或者黃昏時分，太陽已然移至我們視線正前方、接近地平線處，這時，穿過大氣層的陽光需要較長路徑才能抵達我們的眼中。就在這過程中，大部分藍色的光都已經被散射、只剩下波長較長的橙色與紅色光線會抵達。夕陽周遭、或者雲朵也會將這些光反射至我們眼中，因此，彩霞往往是橙色、粉紅、或者紅色的。
在黎明或者日暮時分，太陽在地平線準備升起或者落下，這段時間太陽附近的光線是呈現紅色與黃色的，頭頂的天空則是藍黑色，這便是瑞利散射的傑作：陽光因為不同角度與遠近進入大氣層、從而呈現出美麗的漸層色調。
由上述介紹我們也可以知道，大氣層扮演著散射的要角，如果沒有大氣層，瑞利散射便不會發生、天空也就不會有繽紛的色彩。太空人登月時背景皆是黑色的太空，無論白天與黑夜，那便是因為月球缺少了大氣層的存在。
夜空為什麼是黑色的？
恆星與沙粒
也許這個問題聽起來有點荒謬，你一定會回答：太陽沉入地平線後，自然而然就沒有光線了，夜晚當然就是黑色的，只剩下月光和星點。
其實這麼回答也沒有錯，因此，且讓我們重新組織一下這個問句——既然夜空中充滿星點，為什麼依然是黑色的？或者更進一步——充滿著無數星星的太空，為什麼總是一片漆黑？
早在古希臘時代，這個問題早就被討論過。隨著科技日新月異，人們對於太空的觀測設備日漸新穎，我們發現宇宙中的星系比想像中來得多更多。目前天文學家推測，宇宙中至少有兩兆(2,000,000,000,000)個星系，且每個星系「平均」至少有一億顆(100,000,000)恆星，光是我們的銀河系就有一千億顆至四千億顆(100,000,000,000–400,000,000,000)恆星。加總起來，科學家估計可觀測宇宙中至少有10²²至10²⁴顆恆星。
這個數字究竟有多大？將地表上每一個沙漠、海灘的沙粒加總起來，科學家估計有7.5 × 10¹⁸顆沙粒，而宇宙中恆星的數量則高於地表沙粒總數四至六個數量級——換句話說，正所謂「一沙一世界」，如果你指尖的「一顆沙粒」相當於10,000至1,000,000個恆星的集合體，得要將全世界所有沙粒加總起來、才能對應宇宙中恆星的總數量！
並且，這裡所指的恆星並不包含地球、火星、木星這種行星，每一顆被納入計算的都是像太陽一樣的恆星。試著想像一下：你抬頭所望見的夜空中，實際上囊括了比世界上所有沙粒總數還多數萬至百萬倍、和太陽一樣巨大且耀眼的星體，但為什麼——即使站在月球眺望太空深處——宇宙仍然一片漆黑、寂靜？
奧伯斯悖論
西元1820年代，天文學家開始正視這個問題，提出了「奧伯斯悖論」(Olbers’ Paradox)。是的——這個看似簡單、宛若童言童語的問題，竟然困惑著天文學家，甚至為此提出了一個「悖論」。這個悖論的提出有幾個先決條件：首先，人們假定宇宙是無限大的；其次，假設星星是均勻分布的；再者，宇宙是「穩態」的，即使宇宙有在擴張、長遠來看依然如同穩定且靜止的。
如果宇宙中的星體是均勻分布的，即使愈遙遠恆星會顯得更暗，但由於愈遙遠的恆星數量會更多（想像太空是由一層層沾滿星子的球殼所包覆，我們位在中心向外觀測），因此，按理來說每一層恆星加總起來的亮度是不相上下的，夜空也應當被均勻照亮。
就好像我們站在森林外處看過去一樣，一層層枝葉由近而遠相互交疊，即使看不見樹林最深處那排樹木，我們依然可以看出整片森林是深綠色的。同理，宇宙中星星數量如此繁多，按理來說我們所見的夜空應該也是一片光亮、耀眼奪目的，就像成千上萬顆太陽填滿夜空一樣。
但事實卻不然 — — 夜空比想像中的更為漆黑；即使是到外太空，依然是一望無際的黑暗。
1848年，美國詩人愛倫·坡(Allan Poe)在一首小詩中提及了這麼一句：
「夜空星芒遙遠，它們從未抵達。」(“supposing the distance of the invisible background so immense that no ray from it has yet been able to reach us at all.”)
這句話看似詩情畫意，實際上卻誤打誤撞給了奧伯斯悖論其中一個合理的解釋：縱使宇宙的空間無限大，由於宇宙年齡是有限的、光速也是有限的，當我們眺望夜空，遙遠的星光在有生之年也無法抵達地球進入我們的眼中；換言之，我們所看到的星點其實都是數百、數萬、甚至數十億年前的樣貌，觀測星空相當於觀測歷史。
即使貌似合理，但這套說詞區區出自於詩人的作品集，並無法被追求嚴謹的科學家們所接受；況且，當時科學家尚未能證明宇宙的年齡與狀態，因此奧伯斯悖論依然被視為無解。
20世紀的解答
隨著物理學家對於宇宙模型的建構，愈來愈多人相信宇宙是動態的、並且不斷在擴張。1929年，愛德溫·哈伯(Edwin Hubble)透過實驗觀測發現「星系正不斷遠離我們」，且距離愈遠的星系遠離速度似乎愈快；1931年，喬治·勒梅特(Georges Lemaître)提出了宇宙起源於一個「原子一般大小的點」這套假說。
上述提到的「哈伯定律」(Hubble’s law)可以說是當代天文學最重要的發現之一，它證明了「宇宙正在膨脹」的事實；結合勒梅特的理論，說明了宇宙起源於一個「點」，而這正是當今宇宙學「大霹靂(Big Bang，或譯大爆炸)理論」的雛形。哈伯利用紅移(redshift)效應發現遠方的星系正加速遠離我們，其原理大致如下：由於宇宙正在擴張，愈遙遠的星系發射出的光線會愈接近光譜紅色的那一端，由於哈伯發現了遠方星系的紅移現象、從而推導出星系退行的速度，這也就證實了宇宙正不斷在膨脹。
由於愈遙遠的星系紅移的效應愈顯著，降低了觀測的亮度，因此遙遠的星光肉眼是不可見的。那麼，宇宙誕生、大霹靂時期的光源，我們為何無法觀測得到？這是因為，距離愈遙遠的光來自於宇宙愈早期的星系，推算至宇宙大霹靂初期的光源，它們紅移的尺度已經超越了可見光譜、到達紅外線、甚至微波的波段——想當然爾，我們肉眼無法見到微波，自然也就無法用眼睛觀測到宇宙大霹靂初期的輻射。如果你熟悉天文學，那麼，你一定聽過所謂的「宇宙微波背景輻射」(CMB)，它象徵著宇宙誕生之後的「第一道光」、也是現今物理學家能「觀測」到的最早期宇宙樣貌，而這也成為了大霹靂理論最有力的證據之一，於1964年才被發現。從宇宙微波背景中，我們也能發現太初宇宙的輻射是不均勻的，而這也意味著現今宇宙中的星系、星體並非想像中那樣均勻分布。
綜上所述，我們終於可以歸納奧伯斯悖論的最佳解答：
- 宇宙年齡有限：我們宇宙大約138億年歷史，光傳遞到我們眼中的速度也是有上限的（每秒300,000公里），因此，遙遠的星光尚未能抵達我們眼中。
- 宇宙正在膨脹：愈遙遠的星光會發生光譜紅移效應，當波長拉伸到一定程度後，便成為了紅外線，我們也自然無法透過肉眼觀測到過於遙遠的星系。
此外，宇宙膨脹的事實也限制了可觀測宇宙大小，說明了我們能「觀測到」的宇宙是有限的，因為在此之外的光線無法抵達我們眼中。近幾十年來，科學家更發現宇宙不僅正在膨脹、而且是「加速膨脹」，這意味著真實宇宙的大小可能比我們想像中大得許多（注意：目前為止我們都將宇宙稱之為「可觀測宇宙」——這只是我們能觀測到的宇宙，並非真實的宇宙尺寸）。哈伯定律與紅移效應同時也告訴了我們另一個有趣的事實：即使用肉眼（可見光）很難看見遙遠的星光，但若我們用紅外線、微波或者其他波段來觀測時，便會發現太空中確實滿佈著點點繁星。
因此，「天空是藍的」這僅僅是個光學問題；然而，「夜空是黑的」這則涉及更深奧的宇宙學問題。人類在150年前便證明天空是藍色的，卻在將近一個世紀後、大霹靂理論與宇宙微波背景相繼被證實時，科學家才更確立星夜總是黑色的真正原因。
