彩虹中尚未破解的物理之谜

乔恩·巴特沃斯

今年夏天，我带着家人去赫尔福德河上的康沃尔度假，河流南端的半岛名叫“蜥蜴”，是非常美丽的一个地方。站在它的悬崖上，意味着你到了不列颠本土的最南端。河的北端是法尔茅斯港，1851年以前，不列颠帝国邮政业务的船只从这里频繁进出。这一带到处都是人迹罕至的美景，与其他地方荒凉的大西洋海滩形成鲜明对比。

一天傍晚，我从河边一个酒馆回家时目睹了一次激动人心的自然景观：在我们身后的太阳照耀之下，通向大海的河口处亮起了双彩虹，极其醒目而且非常完整。我一直喜欢看彩虹，而这一次是我平生看到的最棒的一次，紧贴着地平线，掠过河对岸的树木，与河水中的倒影融为一体。

在我面前悬浮着的景象是从我身后照射来的阳光形成的，无数悬浮着的微小雨滴反射的光向我们飞回，当光照射在空气与水相遇处的雨滴表面时，有的光穿透进去，有的光被反射，折射的角度取決于光的波长以及入射的角度。进入球形雨滴的平行光线于内侧反弹，射向我们；雨滴后侧的反射角结合两次折射（一次进入雨滴，一次离开雨滴）将每个波长集中于一定的角度。波长与颜色相符，所以颜色就分离成我们熟悉的彩带状。

关于彩虹形成的原理，其实知道这一点物理知识就够了。人类首次对彩虹进行的计算可以上溯到1637年勒内·笛卡尔的研究，当时的计算要依靠波长，因此牵涉到颜色。艾萨克·牛顿和托马斯·扬所做的贡献晚于这个时间。虽然我当时大体上已经知道这个历史，但是我还是觉得新鲜，因为我在几天前读过德莱斯顿科技大学亚历山大·豪斯曼的一篇有趣的评论文章，里面充满了科学与魅力，这一次解开的彩虹因为它而闪耀得更加明亮、更加光辉。

这次在康沃尔看到的彩虹让我更加惊奇的是，我意识到河水中的倒影，您别看它是彩虹的样子，可它并不是天上那道彩虹的倒影。真正的倒影发生在来自同一物体不同角度的光源，这些光在一个表面反射之后到达我们的眼球。例如，河面上的云彩才是真正的倒影。而彩虹是由雨滴内部以一定的角度反射的光形成，所以我们才看到那道弯曲的虹。从同样的雨滴反射的光是不可能形成镜像的，因为只有一个不同的角度发出的光才能到达我们的眼球，而镜像来自空中不同位置的雨滴以相同的角度反射的光。

阵雨的局部变化会使镜像虹与直观虹截然不同：“反射的”虹不只是眼睛看到的那个样子，还是基础物理学尚解释不清的现象。

历史上的彩虹理论一直在发展，更加奇特或者非同寻常的特征已经得到解释。我们不但理解了色的分离，而且知道c还有色彩逆向排列的副虹，这都是由于水滴内部两次内射形成的。在主虹和副虹之间还有一条暗带，被称为“亚历山大暗带”。这个暗带是土耳其阿芙洛蒂西亚斯的亚历山大在公元200年最先看到的，处于光线运行最简路径原理无法达到的一个角度，因此暗于天空其余部分。主虹里还有“复虹”现象，比较罕见，是同一个角度两条略微不同距离的光线到达眼球时的冲突所致。

以上所有这些特点，都是在发展笛卡尔的原始理论中得到理解的。最近这些年计算机的能力越来越强大，科学界对他提出的假设以及概算进行了调查和完善，细节发生了变化，越来越忠实于现实。也许您会认为，像彩虹这种简单的现象已经没有什么别的东西可供人们了解，可是您错了：研究在继续，而且步伐已加快，因为人们普遍使用的高质量数码相机已经捕捉到更多更奇妙的彩虹图像，这些图像显示了令人惊异、非同寻常的特点。

最新的一个例子是：人们发现水滴的大小及形状的不同扮演着重要的角色。原始的虹理论认为雨滴是完美的球形，而且雨滴的大小无关紧要。实际上，由于空气的阻力，较大的雨滴下降时底部会被挤扁，变成“汉堡包”的形状。较大的雨滴通常只占很小比例，但是如果真正发挥作用时，它们的扁圆形会造成虹顶位置的变化，而其底部则不受影响。所以，彩虹的底部经常显得比顶端明亮：所有不同大小的雨滴在底部都发挥作用，而靠近顶端时，来自较大的汉堡包形状的雨滴的光被散射。

通过高性能计算机精确的数值计算，我们得以理解那些越来越难懂的特征，并确定理论中的那些遗漏与近似值。这就是科学，不管是关于彩虹还是高能粒子碰撞。发现一个漏洞并非意味着这个理论毫无价值，而是意味着这个理论有改进的余地。

科学家必须避免自己掉入这样一个陷阱，即捍卫现有理论的所有方面，不要因为自己觉得这里面深藏的真理需要保护就采取那样的行动。理论的细节，甚至还有其宏观的方面，常常都存在有待提高的空间。这样做就巩固了理论的核心，也就是说一个理论从根本上来说是正确的。如果一个理论从其根本上来说都不正确的话，我们就应该尽早地找到一个更好的理论。找到更深入地描述自然的理论的最有效途径就是进行更多的观察，将目前的概念推向崩溃点。所有这些思想都盘旋于赫尔福德河上空的彩虹周围。

目前，我们对彩虹的理解已经相当可靠，但还不完美。毫无疑问，在细节上仍然有更新的余地。当然，对我个人来说，那天从河边返家途中的所见绝对是很完美的。