不妨找一個明媚的晴天抬頭看一看天空——之前你肯定已經這樣做過無數遍了。
但是，現在請認真地盯著天空。
這是多神奇的一件事啊——乍一看，你也許會把天空當成是實實在在的天花板，就跟古人的思想一樣。當古人說到「天穹」時，他們真的是把天當成了一個屋頂。當然，在這藍色深空背後，並不存在什麼確實的頂棚。你所看到的是一片明亮的薄霧，一層透光的陰霾，包圍著地球向陽的那一面，看起來就像一片朦朧的隱形眼鏡。陽光可以透過這層鏡片，流星也可以刺透它而不會留下破洞。在頭頂上方不遠的地方，我們還可以時常清晰地看到鳥兒、白雲、飛機在這層透明的介質裡穿過。那麼，天空的藍色是從哪兒來的呢？
這個問題恐怕在語言剛剛形成的時候就出現了，但現代科學能夠明確地回答這個問題還有賴於近代很多研究者的工作，其中就包括另一位諾貝爾獎得主——阿爾伯特·愛因斯坦。愛因斯坦是著名的和平愛好者，也是世人皆知的原子彈之父，一生科學發現無數，但都沒有他的相對論流傳得那麼廣。1910年，他的朋友哈伯正在嘗試將氮作為生產氨氣的原料，與此同時愛因斯坦也發表了一篇論文，揭示了氮氣在讓天空產生顏色的過程中所發揮的作用。
在理解這一作用之前，我們首先要回憶一個重要的事實，那就是一般空氣的氣態物質中，氮氣的比例達到了78％。與組成剩餘絕大部分大氣的氧氣相同，氮氣分子也是由兩個同樣的原子——也就是氮原子——構成，但是氮氣分子中的這對孿生原子卻與大氣中其他成分有著諸多不同，無論是看上去還是實際表現。
當你呼吸的時候，雙原子的氮氣會隨著氧氣一道擴散到你的身體中。如果你是一名初級潛水員，你一定知道，在水下呼吸高壓空氣時，會讓更多氮氣溶解到血管中，如果沒有經過減壓就迅速浮到水面，它們就會形成氣泡從血液中逸出。這些氣泡可能會導致嚴重的關節疼痛，阻斷血液循環，或是損傷神經系統，這些可能致命的病症就是廣為熟知的「減壓病」。不過多數時候，你的細胞都會無視這些氮氣分子，把它們看成是無關緊要的臨時過客。雖然你需要氮原子用於構建並維持你的身體，但你卻不能像吸入氧氣那樣，簡單地靠吸入氮氣來滿足供應。你只能通過吃來補充，為了讓它變得可以食用，你就只能依賴其他生物了。
這個問題的原因在於，對你而言，氮氣轉化為生物性氮需要更為有效的轉化過程，就如同花蜜轉化為蜂蜜一樣。即便你的肺裡充滿了氮氣，也仍然有可能因食物中缺乏氮元素而死。可見，將氮氣轉化為可用之物還需要強有力的工具，而這種工具只為少數物種擁有。這些幸運兒握著這把可以挖掘無盡寶藏的鑰匙，而地球上包括人類在內的其他生物都需要依賴這些原子寶藏生存。
導致這一元素如此難以獲取的原因，也正是天空呈現藍色的原因之一。氮元素似乎更喜歡和同類組合在一起，至少在它最常見的形態中是這樣的。大氣中的其他分子也會通過共享一個或多個電子形成共價鍵的方式兩兩結合，但不會像氮氣這麼牢固。氫氣分子是依靠單鍵組合，氧氣分子則是雙鍵，但氮氣中的兩個原子卻是採用超強的三鍵結合在一起，因此一旦它們形成以後，就很難再被分開。如果兩個好友可以被稱為「穿同一條褲子」，那麼氮氣中的兩個氮原子就如同熱戀的情侶一般，從頭到腳都扣在一起。
原子通過周圍的電子雲結合成分子，氮氣也不例外；但電子雲並非是完全固定不變的，如果給予這樣的分子劇烈的震動，那麼圍繞在原子周圍的電子雲也會輕微扭曲，明媚的早晨，當太陽升起時，這一效應會十分顯著。就像草原上的蜜蜂開始一天勞作前那樣，空氣分子醒來之後也會產生「蜂鳴」，只不過這種蜂鳴不是聲波，而是光波。
我們頭頂這個多氮的天空呈現的顏色可不僅僅是一幅背景——它還從生理上影響著你。有關光照對人類生理影響的最新研究發現，當人類視網膜暴露在藍光之下時，會抑制褪黑素的產生過程，而褪黑素是一種誘導睡眠的激素。在古代，你的祖先可能就是因為對這種透過「天空濾鏡」照過來的陽光有反應，才會在白天下意識地保持警惕，這也就是睡眠研究人員所稱的「不可見的視力」。然而，如今一些專家也認為，電腦屏幕、電視和其他類似鐘錶底光的人工照明發出的藍光卻可能造成很多疾病，例如抑鬱、失眠以及其他與疲勞相關的病症。
要解釋光照下的天空為何是藍色，我們不妨將空氣中的分子想像成一群看不見的微型蜜蜂——當然是不會蜇人的那種。在它們之中，你可以同時看到三種方式的運動正在進行著：整個蜂群在風的吹動下會整體移動，而單個「蜜蜂」則會因為混亂的熱運動飄忽不定，但天空顏色主要來自於第三種運動——空氣分子內部的運動，就好比蜂鳴也是蜜蜂自己身體發出來的一樣。
蜂鳴聲是由蜜蜂的肌肉快速振動而產生，翅膀拍擊、打落花粉或是在寒冷的早晨使身體變暖，能量都來自這種振動。如果你的手心落了一隻健康的蜜蜂，也會因這種振動而感到發癢。分子發射光線就如同蜜蜂發射聲波，只不過利用的是電子而非肌肉。當陽光照到氮氣分子時，作為反應，分子的電子雲也會有節奏地跟著扭動，因此，研究這一無聲「蜂鳴」的物理學家有時也會用音樂術語「諧振子」來指代分子。最近剛好有一位專家跟我描述了這一現象，還嚴厲警告說千萬別把這一段解釋砸了。
「很多人都搞錯了，」克雷格·博倫（Craig Bohren）跟我說道，「甚至不少科學家也是。只有你不再錯誤地聲稱天空只是藍色或者主要是藍色，你才是對的。」
這位德高望重的大氣科學家已經從賓夕法尼亞州立大學退休。在給了我一個令人吃驚的警告之後，他開始帶著我領略天空呈色的基本原理。
「大氣主要由氮氣與氧氣分子構成，它們的直徑比可見光波長要小得多，因此當陽光照射過來後，它們便會將陽光散射到四面八方。實際上，它們會散射所有顏色的光，只不過波長較短的光會更為明顯。」所謂波長較短的光，也就是藍光，但也包括紫光。所以現在問題來了：為什麼天空看上去不是更接近紫色？
他咯咯地笑了，接著說道：「其實，某種意義上講就是紫色的，只是你看到的有所不同。你的眼睛對紫色的敏感程度不及藍色，而你的大腦也不會像光譜儀那樣分析光線。你抬頭看到的天空，有一部分已經過了你自己的處理，然後只是用『藍色』這個詞代表你觀察到的顏色。」
根據博倫的測量，在晴朗的中午，天空光中只有1/5的光線是真正的藍色。「甚至愛因斯坦在研究光的散射時都忽略了這一細節，因為他從未真正看過天空光的光譜。」
那麼，究竟空氣分子是如何散射光線的呢？
他停頓了一下，說道：「如果你確實想瞭解這一點，那就需要先弄清楚電子雲在被快速振動的光波擊中後，會有什麼樣的反應。電子相對於原子核的運動會產生電磁擾動，其波長或者說其顏色與入射光的波長有關。空氣分子同時會與很多光波產生這樣的作用，但它們對藍光與紫光的散射作用比其他顏色——比如說紅色或黃色——更明顯。」
換句話說，氮氣分子可以對全波長的太陽光進行散射，就好比如果你有朋友在音樂廳偷偷地給你打電話時，手機裡也會傳來很多交響樂的聲音一樣。然而手機上的微型喇叭在傳遞小提琴的高音部分時，會比低音鼓的渾厚聲響更為清晰；大氣中的細小分子也是如此，它們會更熱衷於散射短波長的光，比如，藍光和紫光。我們對天空中「音更高」的紫色會有一些音盲，但我們還是可以從同樣燦爛的藍色中感受到很多樂趣。
在低層大氣中，每一秒鐘都會發生幾十億次散射過程，考慮到人類視力的局限性，最終你所能感知的，便好像是一群發著藍光的分子「蜜蜂」。大氣散射的影響巨大，它使你不能在白天看見星星，也是它使你可以在太陽落山很久之後還能看到書上的字。在我們頭頂之上的這個看似不透明的穹頂，遠不止是一層被動的天花板：它因自己的原子發出的光而發光。不過到頭來，天空之所以呈現藍色還是由你的感官決定的。