彩虹中尚未破解的物理之謎

喬恩·巴特沃斯

今年夏天，我帶著家人去赫爾福德河上的康沃爾度假，河流南端的半島名叫“蜥蜴”，是非常美麗的一個地方。站在它的懸崖上，意味著你到了不列顛本土的最南端。河的北端是法爾茅斯港，1851年以前，不列顛帝國郵政業務的船只從這里頻繁進出。這一帶到處都是人跡罕至的美景，與其他地方荒涼的大西洋海灘形成鮮明對比。

一天傍晚，我從河邊一個酒館回家時目睹了一次激動人心的自然景觀：在我們身后的太陽照耀之下，通向大海的河口處亮起了雙彩虹，極其醒目而且非常完整。我一直喜歡看彩虹，而這一次是我平生看到的最棒的一次，緊貼著地平線，掠過河對岸的樹木，與河水中的倒影融為一體。

在我面前懸浮著的景象是從我身后照射來的陽光形成的，無數懸浮著的微小雨滴反射的光向我們飛回，當光照射在空氣與水相遇處的雨滴表面時，有的光穿透進去，有的光被反射，折射的角度取決于光的波長以及入射的角度。進入球形雨滴的平行光線于內側反彈，射向我們；雨滴后側的反射角結合兩次折射（一次進入雨滴，一次離開雨滴）將每個波長集中于一定的角度。波長與顏色相符，所以顏色就分離成我們熟悉的彩帶狀。

關于彩虹形成的原理，其實知道這一點物理知識就夠了。人類首次對彩虹進行的計算可以上溯到1637年勒內·笛卡爾的研究，當時的計算要依靠波長，因此牽涉到顏色。艾薩克·牛頓和托馬斯·揚所做的貢獻晚于這個時間。雖然我當時大體上已經知道這個歷史，但是我還是覺得新鮮，因為我在幾天前讀過德萊斯頓科技大學亞歷山大·豪斯曼的一篇有趣的評論文章，里面充滿了科學與魅力，這一次解開的彩虹因為它而閃耀得更加明亮、更加光輝。

這次在康沃爾看到的彩虹讓我更加驚奇的是，我意識到河水中的倒影，您別看它是彩虹的樣子，可它并不是天上那道彩虹的倒影。真正的倒影發生在來自同一物體不同角度的光源，這些光在一個表面反射之后到達我們的眼球。例如，河面上的云彩才是真正的倒影。而彩虹是由雨滴內部以一定的角度反射的光形成，所以我們才看到那道彎曲的虹。從同樣的雨滴反射的光是不可能形成鏡像的，因為只有一個不同的角度發出的光才能到達我們的眼球，而鏡像來自空中不同位置的雨滴以相同的角度反射的光。

陣雨的局部變化會使鏡像虹與直觀虹截然不同：“反射的”虹不只是眼睛看到的那個樣子，還是基礎物理學尚解釋不清的現象。

歷史上的彩虹理論一直在發展，更加奇特或者非同尋常的特征已經得到解釋。我們不但理解了色的分離，而且知道c還有色彩逆向排列的副虹，這都是由于水滴內部兩次內射形成的。在主虹和副虹之間還有一條暗帶，被稱為“亞歷山大暗帶”。這個暗帶是土耳其阿芙洛蒂西亞斯的亞歷山大在公元200年最先看到的，處于光線運行最簡路徑原理無法達到的一個角度，因此暗于天空其余部分。主虹里還有“復虹”現象，比較罕見，是同一個角度兩條略微不同距離的光線到達眼球時的沖突所致。

以上所有這些特點，都是在發展笛卡爾的原始理論中得到理解的。最近這些年計算機的能力越來越強大，科學界對他提出的假設以及概算進行了調查和完善，細節發生了變化，越來越忠實于現實。也許您會認為，像彩虹這種簡單的現象已經沒有什么別的東西可供人們了解，可是您錯了：研究在繼續，而且步伐已加快，因為人們普遍使用的高質量數碼相機已經捕捉到更多更奇妙的彩虹圖像，這些圖像顯示了令人驚異、非同尋常的特點。

最新的一個例子是：人們發現水滴的大小及形狀的不同扮演著重要的角色。原始的虹理論認為雨滴是完美的球形，而且雨滴的大小無關緊要。實際上，由于空氣的阻力，較大的雨滴下降時底部會被擠扁，變成“漢堡包”的形狀。較大的雨滴通常只占很小比例，但是如果真正發揮作用時，它們的扁圓形會造成虹頂位置的變化，而其底部則不受影響。所以，彩虹的底部經常顯得比頂端明亮：所有不同大小的雨滴在底部都發揮作用，而靠近頂端時，來自較大的漢堡包形狀的雨滴的光被散射。

通過高性能計算機精確的數值計算，我們得以理解那些越來越難懂的特征，并確定理論中的那些遺漏與近似值。這就是科學，不管是關于彩虹還是高能粒子碰撞。發現一個漏洞并非意味著這個理論毫無價值，而是意味著這個理論有改進的余地。

科學家必須避免自己掉入這樣一個陷阱，即捍衛現有理論的所有方面，不要因為自己覺得這里面深藏的真理需要保護就采取那樣的行動。理論的細節，甚至還有其宏觀的方面，常常都存在有待提高的空間。這樣做就鞏固了理論的核心，也就是說一個理論從根本上來說是正確的。如果一個理論從其根本上來說都不正確的話，我們就應該盡早地找到一個更好的理論。找到更深入地描述自然的理論的最有效途徑就是進行更多的觀察，將目前的概念推向崩潰點。所有這些思想都盤旋于赫爾福德河上空的彩虹周圍。

目前，我們對彩虹的理解已經相當可靠，但還不完美。毫無疑問，在細節上仍然有更新的余地。當然，對我個人來說，那天從河邊返家途中的所見絕對是很完美的。