阳光看起来是白色的，实际上它是红橙黄绿蓝靛紫所有颜色叠在一起的光。当这束混合光射进地球大气层，会和空气中的氮氧分子、极小的水汽颗粒相遇，被朝四面八方推搡开，这种现象叫做散射。不同颜色的光波长不同，蓝紫光波长短，红黄光波长长。空气分子的体积远小于可见光波长，它们对短波的散射能力远远强于长波，强度大致和波长的四次方成反比，于是蓝紫光被甩向各个方向的概率比红光高出将近十倍。我们平时抬头看天，视线并不正对太阳，映入眼帘的正是这些被空气分子重定向到我们眼中的散射光，蓝色因此占了绝对上风，整片天空便呈现澄净的蓝。
紫光其实比蓝光散射得更厉害，照理天空该偏紫才对。可有两件事把它压了下去。一是太阳发出的可见光里，蓝的成分本来就比紫多；二是人眼的视锥细胞对蓝光远比紫光敏感，大脑接收到的紫色信号弱得多。两种因素叠加，天空呈现给我们的就成了蓝，而不是紫。这也提醒我们，一个日常现象背后的答案常常不止一股力量，物理规律和生物感知一起决定了我们亲眼所见的世界。
到了黄昏，太阳斜斜地贴近地平线，光线必须斜穿比正午厚得多的大气层才能抵达我们的眼睛。在这段加长的旅途中，蓝紫光几乎被沿途的分子散射殆尽，能够笔直穿过来、不被打扰的，只剩下波长更长、更不容易被推开的红黄光。于是夕阳本身和天边的云朵都被染成温暖的橙红。若空气里还悬浮着尘埃、水汽或污染颗粒，它们同样会帮忙把蓝绿光散射掉，让晚霞烧得更浓烈。
靠近地平线的天空往往泛白、发淡，这也是散射的副作用。从低空来的阳光穿过的大气更厚，蓝紫光被来回散射了许多次，连地面反射的光也混了进来，各种颜色重新搅在一起，白光的比例上升，蓝色就被冲淡了。所以越往天顶越蓝，越靠地平线越白，完全是同一套机制的两种表现。
还有一个常见的现象能印证这套机制：远处的山峦和地平线一带往往泛着淡淡的蓝紫。那是因为目光所及的光线在抵达眼睛前，多穿过了厚厚一层含尘的空气，其中蓝紫成分被反复散射进你的视线，远景于是被蒙上一层蓝纱。画家常说的空气透视，正是利用了远处偏蓝这一规律。反过来，空气污染严重时，这层蓝纱会变成灰黄的霾，原理依旧是悬浮颗粒改写了散射。
顺便说一句，我们戴的偏光太阳镜之所以能削弱眩光，也和这种散射有关。被空气分子散射的光多半是偏振的，镜片把这部分杂乱的光滤掉，天空看起来就深邃安静了许多。顺带看清另一件事，就能把云为什么是白的也一并想通：云里的水滴比空气分子大得多，它们对所有颜色的光几乎一视同仁地散射，各种颜色混在一起落到眼里就是白色。天空蓝、云朵白，看似相反，其实是同一种散射在不同尺寸颗粒上的两种面貌，把尺度换一换，规律就翻了面。
把这套道理放到没有大气的星球上更显分明：月球几乎没有空气，宇航员拍回的照片里人和月面被照得清楚，可只要不朝太阳，四周便一片漆黑，没有亮蓝的天幕。天空的颜色，说到底是阳光、空气分子，以及我们这一双眼睛三方合作的结果。
参考： http://www.spaceplace.nasa.gov/blue-sky https://www.giss.nasa.gov/edu/icp/research/ppa/1997/reyes/