彩虹中尚未破解的物理之謎

喬恩·巴特沃斯

今年夏天，我?guī)е胰巳ズ諣柛５潞由系目滴譅柖燃?，河流南端的半島名叫“蜥蜴”，是非常美麗的一個(gè)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(yè)務(wù)的船只從這里頻繁進(jìn)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(gè)酒館回家時(shí)目睹了一次激動(dòng)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(shù)懸浮著的微小雨滴反射的光向我們飛回，當(dāng)光照射在空氣與水相遇處的雨滴表面時(shí)，有的光穿透進(jìn)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(jìn)入球形雨滴的平行光線于內(nèi)側(cè)反彈，射向我們；雨滴后側(cè)的反射角結(jié)合兩次折射（一次進(jìn)入雨滴，一次離開雨滴）將每個(gè)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(guān)于彩虹形成的原理，其實(shí)知道這一點(diǎn)物理知識(shí)就夠了。人類首次對彩虹進(jìn)行的計(jì)算可以上溯到1637年勒內(nèi)·笛卡爾的研究，當(dāng)時(shí)的計(jì)算要依靠波長，因此牽涉到顏色。艾薩克·牛頓和托馬斯·揚(yáng)所做的貢獻(xiàn)晚于這個(gè)時(shí)間。雖然我當(dāng)時(shí)大體上已經(jīng)知道這個(gè)歷史，但是我還是覺得新鮮，因?yàn)槲以趲滋烨白x過德萊斯頓科技大學(xué)亞歷山大·豪斯曼的一篇有趣的評論文章，里面充滿了科學(xué)與魅力，這一次解開的彩虹因?yàn)樗W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(shí)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(fā)生在來自同一物體不同角度的光源，這些光在一個(gè)表面反射之后到達(dá)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(nèi)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?yàn)橹挥幸粋€(gè)不同的角度發(fā)出的光才能到達(dá)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(huì)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(gè)樣子，還是基礎(chǔ)物理學(xué)尚解釋不清的現(xiàn)象。

歷史上的彩虹理論一直在發(fā)展，更加奇特或者非同尋常的特征已經(jīng)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(nèi)部兩次內(nèi)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(gè)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(yùn)行最簡路徑原理無法達(dá)到的一個(gè)角度，因此暗于天空其余部分。主虹里還有“復(fù)虹”現(xiàn)象，比較罕見，是同一個(gè)角度兩條略微不同距離的光線到達(dá)眼球時(shí)的沖突所致。

以上所有這些特點(diǎn)，都是在發(fā)展笛卡爾的原始理論中得到理解的。最近這些年計(jì)算機(jī)的能力越來越強(qiáng)大，科學(xué)界對他提出的假設(shè)以及概算進(jìn)行了調(diào)查和完善，細(xì)節(jié)發(fā)生了變化，越來越忠實(shí)于現(xiàn)實(shí)。也許您會(huì)認(rèn)為，像彩虹這種簡單的現(xiàn)象已經(jīng)沒有什么別的東西可供人們了解，可是您錯(cuò)了：研究在繼續(xù)，而且步伐已加快，因?yàn)槿藗兤毡槭褂玫母哔|(zhì)量數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)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(diǎn)。

最新的一個(gè)例子是：人們發(fā)現(xiàn)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(rèn)為雨滴是完美的球形，而且雨滴的大小無關(guān)緊要。實(shí)際上，由于空氣的阻力，較大的雨滴下降時(shí)底部會(huì)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(fā)揮作用時(shí)，它們的扁圓形會(huì)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(jīng)常顯得比頂端明亮：所有不同大小的雨滴在底部都發(fā)揮作用，而靠近頂端時(shí)，來自較大的漢堡包形狀的雨滴的光被散射。

通過高性能計(jì)算機(jī)精確的數(shù)值計(jì)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(xué)，不管是關(guān)于彩虹還是高能粒子碰撞。發(fā)現(xiàn)一個(gè)漏洞并非意味著這個(gè)理論毫無價(jià)值，而是意味著這個(gè)理論有改進(jìn)的余地。

科學(xué)家必須避免自己掉入這樣一個(gè)陷阱，即捍衛(wèi)現(xiàn)有理論的所有方面，不要因?yàn)樽约河X得這里面深藏的真理需要保護(hù)就采取那樣的行動(dòng)。理論的細(xì)節(jié)，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(gè)理論從根本上來說是正確的。如果一個(gè)理論從其根本上來說都不正確的話，我們就應(yīng)該盡早地找到一個(gè)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(jìn)行更多的觀察，將目前的概念推向崩潰點(diǎn)。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(jīng)相當(dāng)可靠，但還不完美。毫無疑問，在細(xì)節(jié)上仍然有更新的余地。當(dāng)然，對我個(gè)人來說，那天從河邊返家途中的所見絕對是很完美的。