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彩虹是连接神域与人间的桥梁?

傍晚,一场倾盆大雨过后,天空放晴,一道彩虹悬于天边,绚烂而神秘。早在几千年前,古人便注意到了这美丽的自然奇观,在他们眼中,彩虹是神迹,他们将彩虹融入了神话中。

北欧神话中,彩虹是连接神域与人间的桥梁,由光之神海姆达尔守卫着;中国古代神话中,彩虹是女娲补天所用五彩石发出的光芒;印度神话中,彩虹是雷电神帝释天的弓;《圣经》中,彩虹是上帝与诺亚约定不再降洪水于人间的记号。

而如今,我们知道,那弧形、多彩的彩虹不过是光与空气中小水珠碰撞后的结果。但阳光和水滴是如何形成彩虹的呢?最早用科学解释彩虹的是古希腊哲人亚里士多德。

彩虹是弧形的

公元前300年,仰望彩虹的亚里士多德不禁思索,为什么彩虹都是拱桥般的形状。他认为,云上有一面面由众多小水滴组成的镜子,将阳光反射回来,便能形成彩虹。阳光照射在小水珠后反射的角度并不是随意的,由于太阳光线是平行的,在小水滴中,它们将会以同一角度反射。如果你站在太阳与这些小水滴之间,背对太阳,面朝水滴,一些水滴反射的光线恰好能够进入你的眼睛,那么在你看来,这些水滴所在的天空会比其他地方稍亮,这些稍亮的地方连在一起便是你所看到的彩虹。亚里士多德是个几何学家,他发现,水滴反射的光线是朝向四面八方的,但进入你眼睛的水滴反射光线有固定的角度,以你的眼睛为顶点,将所有经水滴反射进入眼睛的光线聚集起来,就形成了一个圆锥体,圆锥体的底面圆便是彩虹,

那么,为什么我们所看到的彩虹不是一整个圆而是部分弧形呢?亚里士多德发现,彩虹的位置与观察者的眼睛、太阳的位置有关系。圆锥体底面圆的圆心是顶点在底面的投影,而这一点刚好在太阳与你的眼睛连线的延长线上。这意味着太阳越高,圆心越往下,越大部分的彩虹隐藏在地平线以下,这就是为什么我们平时看到的彩虹是弧形的,因为它只是彩虹的一部分。旭日东升或是日薄西山时,阳光近乎水平,圆心上移,这时候我们能看到大部分的彩虹;而中午,太阳几乎位于你的头顶,圆心几乎就在你的脚下,因此中午一般看不到彩虹。若你想看到整个彩虹,坐上飞机飞得足够高或是站在高高的山顶上,说不定能有机会看到。

另外,传说彩虹之下埋藏着黄金,如果你朝着彩虹走去,想将黄金挖掘出来,大概你穷尽一生,也看不到这些传说中的黄金。因为,彩虹的圆心永远位于太阳与你的眼睛连线的延长线上,你一移动,圆心也随之移动,彩虹也在移动,你永远也无法走到彩虹之下。并且,由于彩虹的位置与太阳的位置、观察者的眼睛有关,你眼中的彩虹与别人眼中的彩虹总存在细微的差别,是不同的水滴反射的,所以每个人所看到的的彩虹其实都是独一无二的。

穿过小水滴的光

不过,亚里士多德忽略了光的折射现象,没有解释彩虹为什么有多重颜色,也没有计算出水滴的反射角度。继续这项工作的是法国物理学家勒内·笛卡尔。笛卡尔研究了光线在小水滴中的路径。

他发现,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线与反射光线完全重合,而其他没有直射球心的光线,在进入水滴时都发生了折射:接触水滴的内壁时发生反射,离开水滴再次进入空气中时再次发生折射。笛卡尔经过计算发现,在同一侧用光束照射水滴,光束经过折射、反射、折射后,新光束与入射光束形成了大约42°的夹角。当然,水滴是一个球体,因而新光束会形成一个顶角为42°的锥体。

此前,英国物理学家艾萨克·牛顿发现光的色散现象,通过三棱镜,可以发现光被分成了不同颜色的光,不同颜色的光偏折程度不同,其中红光偏折程度最小,紫光偏折程度最大。笛卡尔发现天空中的小水滴与三棱镜有着同样的效果,不同颜色的光在小水滴中的折射角、反射角度不同,因此在经过小水滴后,各种颜色的光被分离开来,形成了颜色顺序固定的多彩彩虹,红光由于偏折程度小,位于虹的最外层,而紫光由于偏折程度大,位于虹的最内层,其他颜色的光同样会因不同的偏折程度而最终以一定的顺序排布。

根据笛卡尔的模型和牛顿的理论,人们了解了为什么彩虹是多彩的以及为什么彩虹的颜色是固定的。但是有时候,你会发现,在彩虹的上方,还有一道更大的彩虹,这道彩虹的颜色顺序却与下方的彩虹颜色顺序恰好相反,紫色在最外圈,红色在最内圈。这道更大的彩虹就是霓虹中的霓。

叫做霓的彩虹

上文说到,光线进入小水滴时,发生了折射、反射、折射三个过程,其实,在发生第二次折射时,光线再次接触小水滴内壁,还会发生一次反射,这次反射的光线从水滴进入空气时会再一次折射,最终形成霓。总结一下,形成霓的光线一共经过了两次折射和两次反射,顺序是折射、反射、反射、折射。

由于折射程度的不同,经过第二次反射后再折射的光,与第一次反射后直接折射出来的光颜色顺序恰好相反,所以我们看到的霓的颜色顺序最外层是紫色的,而最内层是红色的。笛卡尔经过计算发现,形成霓的光线与入射光形成了大约51°的夹角,也就是说,第二次反射再折射的光线形成了一个更大的光锥,因此我们会发现霓位于虹的上方,比虹更大。另外,光线的每一次反射都会损失部分能量,因此经过两次反射后形成的霓比之虹较为暗淡。其中,虹也被称为主虹,霓则被称为副虹。

说到这儿,你也许会想,如果在虹形成的过程中,光线在第二次折射时碰到小水滴发生反射,进而形成霓,那么会不会在形成霓的过程中,也会发生同样的情况,光线发生第三次、第四次反射,从而得到第二道、第三道副虹呢?答案是肯定的,但在自然界中,我们最多只能看到霓虹并存的现象,因为自然光的能量不足以维持它经过多次反射后依然能被我们观察到,更多的副虹需要通过实验手段获得。

仰望霓虹,你会发现二者之间的区域相对灰暗,这个区域被称为“亚历山大带”,它的形成是经过小水滴反射的光线几乎集中于42°以下以及51°以上,在42°到51°的范围内,几乎没有光线,这一部分就比其他区域暗淡许多。

历经几千年,人们探索彩虹的脚步仍未歇息,直到现在,彩虹还藏着许多不为人知的小秘密,比如,为什么主虹下方会出现一条很淡的弧形,解释这个现象需要考虑光的波动性。过去、现在,直到未来科学家们仍会孜孜不倦地探索彩虹的秘密。

拓展阅读

不一样的彩虹

我们所见的彩虹通常是雨后的彩虹,但其实只要有足够的光线、小水滴,适当的观察位置,无雨也能见彩虹。下面我们就来看看几种不一样的彩虹。

月虹

月虹,顾名思义,当然就是折射月光所形成的彩虹。在月色迷人的夜晚,空气中有足量的小水滴,便能够形成月虹。但由于月光比较朦胧,月虹也是若隐若现的,而我们的夜视能力较弱,所以看见月虹十分难得。其实月虹不一定出现在夜晚,只不过在白天,我们很难看到“犹抱琵琶半遮面”的月虹。

月虹通常出现在月亮反方向的天空。日出前,月亮在西方,月虹便会出现在东方;日落后,月亮在东方,月虹便会在西方。目前全世界有两处著名的月虹景点,一处是位于美国肯塔基州的坎博兰瀑布;另一处是非洲桑比亚共和国和津巴布韦之间的维多利亚瀑布。如果想看到较清晰的月虹,不如前往这两处观景胜地。

雾虹

雾虹的形成与彩虹类似,是阳光经由小水滴反射和折射后形成的,形状与彩虹一样,都是弧形,只不过雾虹是白色的,它被称为“白色的彩虹”。

雾虹之所以为白色,是因为形成雾虹的小水滴非常小,直径小于0.05毫米,无法像形成彩虹的小水滴一样起到类似于三棱镜的散射光的作用。雾虹的观测方向和彩虹一致,即背对太阳,面朝雾气。

瀑布彩虹

飞流直下的瀑布遇上阳光,也能够形成彩虹,被称为“瀑布彩虹”。瀑布彩虹的形成原理与彩虹别无二致。

如果你站在瀑布顶端,俯瞰整个瀑布,就能够看见一个完整圆形彩虹。在世界上许多地方,都能看到瀑布彩虹,例如北美的尼亚加拉大瀑布、我国贵州的黄果树瀑布等。

自制彩虹

在生活中,我们也能够自制彩虹。下面提供两种简单易行的办法。

第一种,将一个装满水的玻璃杯放在桌子上,阳光透过玻璃窗能够照在桌子上。其次,将一张纸,最好是白纸放在地上,使透过玻璃杯的阳光能够照在纸上。然后,往玻璃窗上喷点热水,再调整玻璃杯和纸的位置,直至看到彩虹。

第二种,水管法。天气晴朗时,打开水龙头,让水管里注满水喷出,接着用手指轻轻堵住管口,制造雾气,将水管对准太阳喷射,便可看到彩虹。

其实,自制彩虹最简单的一种办法是,在阳光灿烂的时候,含一口水,背对着太阳,用力喷出,便可见到彩虹了。

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