近日，多個網友拍攝到奇妙一幕：陽光照射熏香的煙霧，出現夢幻的紫色。這幕“生紫煙”景象是千多年前“詩仙”李白詩句“日照香爐生紫煙”（《望廬山瀑布》）的生動展現。《望廬山瀑布》是國小學生必學必背的古詩之一，詩中關于“生紫煙”的原因，由于涉及較深的傳統文化知識和實體知識，老師教學時往往跳過，甚至有老師解釋應該是白煙，李白可能因為欣賞瀑布太久眼花看成紫色的緣故。
網友實拍“生紫煙”現象（視訊截圖，圖源見水印）
其實，此詩是李白細心觀察後所寫，詩中“生紫煙”景象不但合乎科學事實，還有深刻的文化内涵。要解釋這一切，得先從光的傳播說起。
瑞利散射 藍色天空
學過國中實體的人都知道，太陽光通過同種均勻媒體時沿直線傳播，反之傳播方向就會發生改變。由此，太陽光進入成分複雜且不均勻的大氣層後，會跟空氣分子、塵埃、氣溶膠等媒體相撞，進而産生散射。與直射、反射、折射、衍射等一樣，散射也是一種光學現象。
太陽光在大氣層中的散射分為兩種情況：當它遇到直徑比太陽光波長小的空氣分子時，會進行選擇性散射，其散射強度與波長相關，這種散射叫分子散射；當它遇到直徑比波長大的塵埃、氣溶膠（大氣中懸浮的固态或液态微粒的總稱，如霧、煙、霾）等物質時，一定範圍的光波會全部被散射（即無選擇性散射），這種散射叫米氏散射。
光的散射示意圖（視訊截圖）
分子散射裡，散射強度和光波長的四次方成反比關系。換言之，光的波長越短，散射越強，反之亦然。這個規律是二十世紀初英國實體學家瑞利發現的，是以分子散射又叫瑞利散射。
瑞利散射可以讓天空呈現出不同的顔色。衆所周知，太陽光是由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種單色光混合而成的複色光。其中波長最長的是紅光，通常約650nm（納米）；波長最短的是紫光，通常約400nm（納米），藍光次之，通常為450nm（納米）。由于瑞利散射的影響，太陽光經過大氣層時，其中的紅光由于波長較長，散射較少，是以穿透力更強，通常能夠穿透大氣抵達地面；而紫光和藍光由于波長較短，散射較多，穿透力很弱。秋高氣爽或雨過天晴，大氣中的塵埃和氣溶膠較少，陽光在大氣分子強烈的瑞利散射下，藍光和紫光散射到四周甚至布滿天空，而人眼對藍色更加敏感，對紫色感覺次之，是以天空看起來呈蔚藍色。
太陽光光譜 （圖源：中國科普網）
舉個例子來形象地解釋紅光和藍紫光的瑞利散射。假設身高2.0米的紅光和身高1.5米的藍紫光同時從太空出發，向地球上跑，經過到處都是高約0.5米“石頭”的大氣層時，紅光腿長，可以輕松跳過；藍紫光腿短，隻能改變方向跑。由于“石頭”太多，藍紫光要多次改變方向，最終讓人感覺布滿天空。
光的散射強度曲線圖（圖源：中國科普網）
值得一提的是，瑞利散射也被運用到交通訓示燈上。用紅光作訓示燈，是因為大霧彌漫的天氣裡，紅光可穿透霧氣，更容易被司機或行人看見，進而減少事故的發生。
詩中原由 據實分析
瑞利散射讓天空看起來很藍，這種現象是否與“日照香爐生紫煙”有關呢？
這得結合《望廬山瀑布》所描述的景象來解釋。
詩中的“香爐”是指廬山西北的香爐峰，因峰頂尖而圓，形似巨大的香爐而得名。清晨時分，在金色陽光的照耀下，香爐峰升起陣陣紫霞，如同煙霧一般，甚是美觀。
由此可得出以下三條結論：一是“紫煙”不是煙，而是紫色的光霞，與網友拍攝的熏香紫煙如出一轍；二是當天天氣很好，少雲少霧，空氣中顆粒狀媒體少，是以發生的是瑞利散射，如果當天有霧或多雲，空氣中有較多較大的顆粒狀媒體，那麼陽光會因米氏散射呈現出白色，詩句也隻能是“日照香爐生白煙”；三是由于香爐峰高聳入雲，地形複雜，氣流易形成渦旋或湍流，陽光照進它們時，不斷産生散射，紫煙效果進一步加強，容易被人觀察到。
水墨畫《望廬山瀑布》（圖源：中國風動畫網）
有人會問，既然瑞利散射讓香爐峰上呈現波長較短的藍光和紫光，而人眼更易感受到藍光，那李白為何不寫成“日照香爐生藍煙”呢？答案主要有兩方面。一是很可能是李白觀看瀑布時，由于特殊的地理環境和氣候條件，香爐峰上氣流分子的直徑和紫光的波長差不多，是以散射光中紫光最強，散射最多，很易被人看到。二是相對天空而言，香爐峰距離觀察者更近，更易看到紫光。網友近距離拍攝到紫色為主的熏香煙霧，也是這個道理。
傳承文化 情感交融
盡管“日照香爐生紫煙”有合理的科學解釋，也有網友攝影佐證，但很多去過廬山和看過廬山瀑布的人都沒見過“生紫煙”的景象。那為什麼李白要把極難看到的景象寫進詩裡呢？
這得從李白的個性及中華傳統文化說起。李白被譽為“詩仙”的原因之一，就是他是個修道之人，追求像神仙一樣的生活。這種追求展現在諸多詩歌之中。紫色是道家最推崇的祥瑞之色，成語“紫氣東來”就是明證。相傳，春秋時，函谷關令尹尹喜夜觀天象，見有紫氣從東而來，不久，道家創始人老子（李耳）果然騎着青牛到函谷關。後來，人們便用“紫氣東來”比喻吉祥的征兆，沿用至今；用“紫煙”表示紫色瑞雲之意，比如著名的《遊仙詩》（東晉·郭璞）裡就有“赤松臨上遊，駕鴻乘紫煙”的句子。
老子“紫氣東來”到函谷關（圖源：國畫網）
追求仙道的李白遙望廬山瀑布，見香爐峰頂煙霧缭繞，恍如仙境，詩興大發。對他而言，不管是藍煙、青煙還是其它煙，既然是仙氣，那用“紫煙”自是恰當，更何況他細心觀察後還真看到紫色的煙霞。
由此可知，“日照香爐生紫煙”巧妙借用自然現象來解釋傳統文化，使這一景象成為科學和文學相結合的典範。這也告訴我們，科學不一定是枯燥的，同樣充滿詩意和美感。
才華橫溢的李白不但沒眼花，反而觀察得很仔細，用心地寫進詩裡。一千多年後，通過網友近距離拍攝紫色熏香煙霧的事實，我們不僅更深入了解“日照香爐生紫煙”的本質，還從中感受到科學與藝術的交融之美。
來源：微信公衆号“中科院實體所”
作者：魏德勇
編輯：伍希城
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