彩虹形成的秘密

藍思追

傍晚，一場傾盆大雨過后，天空放晴，一道彩虹懸于天邊，絢爛而神秘。早在幾千年前，古人便注意到了這美麗的自然奇觀，在他們眼中，彩虹是神跡，他們將彩虹融入了神話中。

北歐神話中，彩虹是連接神域與人間的橋梁，由光之神海姆達爾守衛著；中國古代神話中，彩虹是女媧補天所用五彩石發出的光芒；印度神話中，彩虹是雷電神帝釋天的弓；《圣經》中，彩虹是上帝與諾亞約定不再降洪水于人間的記號。

而如今，我們知道，那弧形、多彩的彩虹不過是光與空氣中小水珠碰撞后的結果。但陽光和水滴是如何形成彩虹的呢？最早用科學解釋彩虹的是古希臘哲人亞里士多德。

彩虹是弧形的

公元前300年，仰望彩虹的亞里士多德不禁思索，為什么彩虹都是拱橋般的形狀。他認為，云上有一面面由眾多小水滴組成的鏡子，將陽光反射回來，便能形成彩虹。陽光照射在小水珠后反射的角度并不是隨意的，由于太陽光線是平行的，在小水滴中，它們將會以同一角度反射。如果你站在太陽與這些小水滴之間，背對太陽，面朝水滴，一些水滴反射的光線恰好能夠進入你的眼睛，那么在你看來，這些水滴所在的天空會比其他地方稍亮，這些稍亮的地方連在一起便是你所看到的彩虹。亞里士多德是個幾何學家，他發現，水滴反射的光線是朝向四面八方的，但進入你眼睛的水滴反射光線有固定的角度，以你的眼睛為頂點，將所有經水滴反射進入眼睛的光線聚集起來，就形成了一個圓錐體，圓錐體的底面圓便是彩虹，

那么，為什么我們所看到的彩虹不是一整個圓而是部分弧形呢？亞里士多德發現，彩虹的位置與觀察者的眼睛、太陽的位置有關系。圓錐體底面圓的圓心是頂點在底面的投影，而這一點剛好在太陽與你的眼睛連線的延長線上。這意味著太陽越高，圓心越往下，越大部分的彩虹隱藏在地平線以下，這就是為什么我們平時看到的彩虹是弧形的，因為它只是彩虹的一部分。旭日東升或是日薄西山時，陽光近乎水平，圓心上移，這時候我們能看到大部分的彩虹；而中午，太陽幾乎位于你的頭頂，圓心幾乎就在你的腳下，因此中午一般看不到彩虹。若你想看到整個彩虹，坐上飛機飛得足夠高或是站在高高的山頂上，說不定能有機會看到。

另外，傳說彩虹之下埋藏著黃金，如果你朝著彩虹走去，想將黃金挖掘出來，大概你窮盡一生，也看不到這些傳說中的黃金。因為，彩虹的圓心永遠位于太陽與你的眼睛連線的延長線上，你一移動，圓心也隨之移動，彩虹也在移動，你永遠也無法走到彩虹之下。并且，由于彩虹的位置與太陽的位置、觀察者的眼睛有關，你眼中的彩虹與別人眼中的彩虹總存在細微的差別，是不同的水滴反射的，所以每個人所看到的的彩虹其實都是獨一無二的。

穿過小水滴的光

不過，亞里士多德忽略了光的折射現象，沒有解釋彩虹為什么有多重顏色，也沒有計算出水滴的反射角度。繼續這項工作的是法國物理學家勒內·笛卡爾。笛卡爾研究了光線在小水滴中的路徑。

他發現，光在小水滴中并非只有反射，而是折射反射并存。其中，只有直射入水滴球心的入射光線與反射光線完全重合，而其他沒有直射球心的光線，在進入水滴時都發生了折射：接觸水滴的內壁時發生反射，離開水滴再次進入空氣中時再次發生折射。笛卡爾經過計算發現，在同一側用光束照射水滴，光束經過折射、反射、折射后，新光束與入射光束形成了大約42°的夾角。當然，水滴是一個球體，因而新光束會形成一個頂角為42°的錐體。

此前，英國物理學家艾薩克·牛頓發現光的色散現象，通過三棱鏡，可以發現光被分成了不同顏色的光，不同顏色的光偏折程度不同，其中紅光偏折程度最小，紫光偏折程度最大。笛卡爾發現天空中的小水滴與三棱鏡有著同樣的效果，不同顏色的光在小水滴中的折射角、反射角度不同，因此在經過小水滴后，各種顏色的光被分離開來，形成了顏色順序固定的多彩彩虹，紅光由于偏折程度小，位于虹的最外層，而紫光由于偏折程度大，位于虹的最內層，其他顏色的光同樣會因不同的偏折程度而最終以一定的順序排布。

根據笛卡爾的模型和牛頓的理論，人們了解了為什么彩虹是多彩的以及為什么彩虹的顏色是固定的。但是有時候，你會發現，在彩虹的上方，還有一道更大的彩虹，這道彩虹的顏色順序卻與下方的彩虹顏色順序恰好相反，紫色在最外圈，紅色在最內圈。這道更大的彩虹就是霓虹中的霓。

叫做霓的彩虹

上文說到，光線進入小水滴時，發生了折射、反射、折射三個過程，其實，在發生第二次折射時，光線再次接觸小水滴內壁，還會發生一次反射，這次反射的光線從水滴進入空氣時會再一次折射，最終形成霓。總結一下，形成霓的光線一共經過了兩次折射和兩次反射，順序是折射、反射、反射、折射。

由于折射程度的不同，經過第二次反射后再折射的光，與第一次反射后直接折射出來的光顏色順序恰好相反，所以我們看到的霓的顏色順序最外層是紫色的，而最內層是紅色的。笛卡爾經過計算發現，形成霓的光線與入射光形成了大約51°的夾角，也就是說，第二次反射再折射的光線形成了一個更大的光錐，因此我們會發現霓位于虹的上方，比虹更大。另外，光線的每一次反射都會損失部分能量，因此經過兩次反射后形成的霓比之虹較為暗淡。其中，虹也被稱為主虹，霓則被稱為副虹。

說到這兒，你也許會想，如果在虹形成的過程中，光線在第二次折射時碰到小水滴發生反射，進而形成霓，那么會不會在形成霓的過程中，也會發生同樣的情況，光線發生第三次、第四次反射，從而得到第二道、第三道副虹呢？答案是肯定的，但在自然界中，我們最多只能看到霓虹并存的現象，因為自然光的能量不足以維持它經過多次反射后依然能被我們觀察到，更多的副虹需要通過實驗手段獲得。

仰望霓虹，你會發現二者之間的區域相對灰暗，這個區域被稱為“亞歷山大帶”，它的形成是經過小水滴反射的光線幾乎集中于42°以下以及51°以上，在42°到51°的范圍內，幾乎沒有光線，這一部分就比其他區域暗淡許多。

歷經幾千年，人們探索彩虹的腳步仍未歇息，直到現在，彩虹還藏著許多不為人知的小秘密，比如，為什么主虹下方會出現一條很淡的弧形，解釋這個現象需要考慮光的波動性。過去、現在，直到未來科學家們仍會孜孜不倦地探索彩虹的秘密。

不一樣的彩虹

我們所見的彩虹通常是雨后的彩虹，但其實只要有足夠的光線、小水滴，適當的觀察位置，無雨也能見彩虹。下面我們就來看看幾種不一樣的彩虹。

月虹

月虹，顧名思義，當然就是折射月光所形成的彩虹。在月色迷人的夜晚，空氣中有足量的小水滴，便能夠形成月虹。但由于月光比較朦朧，月虹也是若隱若現的，而我們的夜視能力較弱，所以看見月虹十分難得。其實月虹不一定出現在夜晚，只不過在白天，我們很難看到“猶抱琵琶半遮面”的月虹。

月虹通常出現在月亮反方向的天空。日出前，月亮在西方，月虹便會出現在東方；日落后，月亮在東方，月虹便會在西方。目前全世界有兩處著名的月虹景點，一處是位于美國肯塔基州的坎博蘭瀑布；另一處是非洲桑比亞共和國和津巴布韋之間的維多利亞瀑布。如果想看到較清晰的月虹，不如前往這兩處觀景勝地。

霧虹

霧虹的形成與彩虹類似，是陽光經由小水滴反射和折射后形成的，形狀與彩虹一樣，都是弧形，只不過霧虹是白色的，它被稱為“白色的彩虹”。

霧虹之所以為白色，是因為形成霧虹的小水滴非常小，直徑小于0.05毫米，無法像形成彩虹的小水滴一樣起到類似于三棱鏡的散射光的作用。霧虹的觀測方向和彩虹一致，即背對太陽，面朝霧氣。

瀑布彩虹

飛流直下的瀑布遇上陽光，也能夠形成彩虹，被稱為“瀑布彩虹”。瀑布彩虹的形成原理與彩虹別無二致。

如果你站在瀑布頂端，俯瞰整個瀑布，就能夠看見一個完整圓形彩虹。在世界上許多地方，都能看到瀑布彩虹，例如北美的尼亞加拉大瀑布、我國貴州的黃果樹瀑布等。

自制彩虹

在生活中，我們也能夠自制彩虹。下面提供兩種簡單易行的辦法。

第一種，將一個裝滿水的玻璃杯放在桌子上，陽光透過玻璃窗能夠照在桌子上。其次，將一張紙，最好是白紙放在地上，使透過玻璃杯的陽光能夠照在紙上。然后，往玻璃窗上噴點熱水，再調整玻璃杯和紙的位置，直至看到彩虹。

第二種，水管法。天氣晴朗時，打開水龍頭，讓水管里注滿水噴出，接著用手指輕輕堵住管口，制造霧氣，將水管對準太陽噴射，便可看到彩虹。

其實，自制彩虹最簡單的一種辦法是，在陽光燦爛的時候，含一口水，背對著太陽，用力噴出，便可見到彩虹了。