物理群星
1637 光学

彩虹的解释

The Theory of the Rainbow

阳光在雨滴里折射、反射、再折射,偏转角在某个方向上走到尽头,光线挤成一圈亮弧——笛卡尔用二十几根光线算出了 42° 与 51°,牛顿用色散排出了颜色,而虹下那几道淡淡的附加彩带,要等波动光学才讲得清。

当时的困境

彩虹是人人见过、却很难说清的东西。它总出现在背对太阳的方向,总是一段圆弧,圆心正好落在「太阳—眼睛」连线的延长线上;你往前走,它跟着退,永远够不着。有时外面还套着一道更淡、更宽的副虹,颜色的次序反过来——这一点亚里士多德在《气象学》里就记下了。约公元 200 年,他的注释者阿佛罗狄西亚的亚历山大又注意到,两道虹之间的天空比别处更暗,这条带子后来就叫「亚历山大暗带」。

亚里士多德的解释是视线被云反射:云像一面面小镜子,把太阳的颜色送回眼里。这套说法讲得出圆弧的形状,讲不出圆弧的大小。中世纪的学者一直在量这个大小:据 Boyer 的考证,罗吉尔·培根在 1260 年代用星盘测得主虹最高只能升到地平线上 42°。但测出来的数也不统一,到十六世纪,西西里的 Francesco Maurolico 又给出主虹 45°、副虹约 56°,这成了流传最广的说法。

真正的突破是把目光从云挪到一颗雨滴。十四世纪初,差不多同时而各自独立,德意志多明我会修士弗赖贝格的狄奥多里克写了《论虹》,波斯学者卡迈勒丁·法里西在注释海什木《光学之书》时也做了同样的事:都拿装满水的玻璃球当放大的雨滴,看出主虹是阳光在每一颗水滴里折射一次、在背面反射一次、再折射出来;副虹则在水滴里多反射一次,所以颜色倒过来。海什木本人写过一篇论晕与虹的专文,仍把虹归于云的反射,法里西是在他的光学框架里把这一步改对的。

光路找对了,可还差一件事:为什么偏偏是 42°? 一颗水滴里,射在不同高度的光线出来的方向各不相同,照理应该把阳光均匀地散向四面八方,不该只在一个角度上亮成一圈。狄奥多里克与法里西都没有算出这个角度——那时手里还没有折射定律。1611 年,斯普利特大主教 Marco Antonio de Dominis 出版《论视线与光线》,再讲了一遍水滴里的折射与反射;牛顿后来在《光学》里把彩虹解释的首功记在他名下,但据 Boyer 的评价,德·多米尼斯的光路在细节上是错的,远不如三百年前的狄奥多里克。

洞见时刻

笛卡尔的办法分两步。第一步是实验:他往一个又大又圆、极透明的玻璃瓶里灌满水,站在阳光里,让瓶子上下左右移动。《气象学》第八讲写道:只要瓶子上那一点与眼睛的连线和「眼睛—太阳」的反方向成约 42°,那一点就通红,而且「比其余部分亮得无可比拟」;角度稍大一点,红色一下子消失;稍小一点,红色并不立刻消失,而是分出黄、蓝等颜色。转到约 52°,另一处也变红,但不如前一处亮。

第二步是计算。笛卡尔手里有正弦定律——同一本书里附的《折射光学》刚把它印出来,水的折射比他「尽可能准确地」测为 250 比 187。他把一颗水滴的半径等分成十份,从十个高度各射进一根平行于阳光的光线,每一根都用正弦定律追踪「折射—反射—折射」,算出它出来时与入射方向的夹角。第一张表里,偏转后的角度随入射高度先增大、后减小;于是他在最大值附近又加密到每百分之一半径一根,再算了十七根。

偏转角走到头的地方,就是虹。用今天的写法,一根光线在水滴里反射 kk 次之后的总偏转角是

Dk(i)=k⋅180∘+2i−2(k+1) r,sin⁡i=nsin⁡rD_k(i) = k \cdot 180^\circ + 2i - 2(k+1)\,r, \qquad \sin i = n \sin r

ii 是入射角,rr 是折射角。DkD_k 随 ii 变化,在某个 i0i_0 处取极值;极值附近 DD 几乎不随 ii 变,一大片入射高度不同的光线都挤到同一个方向出去,那个方向就特别亮。令导数为零,得到

cos⁡2i0=n2−1k(k+2)\cos^2 i_0 = \frac{n^2 - 1}{k(k+2)}

k=1k=1 时分母是 3,主虹的角半径是 180∘−D1(i0)180^\circ - D_1(i_0);k=2k=2 时分母是 8,副虹的角半径是 D2(i0)−180∘D_2(i_0) - 180^\circ。笛卡尔没有微积分,他是从表里直接读出来的:主虹方向的最大角 41°30′,副虹方向的最小角 51°54′;再按太阳视半径约 17′ 加减,得主虹外缘 41°47′、副虹内缘 51°37′。拿 n=250/187n = 250/187 代进上式,得 41.5° 与 51.9°,与他的表一致。

这同时解释了亚历山大暗带。一次反射的光最多只能偏到 42° 附近,不会出现在更大的角度上,于是主虹之内是亮的、之外骤然变暗;两次反射的光只能出现在 51° 之外。夹在 42° 与 51° 之间的那条带子,两路光都照不到,笛卡尔说那里「有影子从两边把光界住」。

他顺手把流传的 45° 驳了:若把水的折射率调小到让主虹真有 45°,副虹也会缩到 45° 上下,与肉眼看到副虹明显大得多相矛盾——「这说明不伴随真正原因的观测多么不可信」。几何光学的第一个定量预言,就这样落在了一个人人抬头可见的现象上。

颜色要等牛顿。 笛卡尔用一块三棱镜类比虹的颜色,把它归于微粒旋转的快慢,只是定性的。牛顿在 1704 年的《光学》第一卷第二部分命题 IX 里接着算:白光是各种折射率不同的光的混合,水对最红的光折射比为 108 比 81,对最紫的光为 109 比 81。每种颜色有各自的极值角,于是各自落在不同半径上:主虹的最大角,红光是 42°2′,紫光是 40°17′;副虹的最小角,红光是 50°57′,紫光是 54°7′。

主虹红在外、紫在内,副虹正好反过来——颜色次序就这样从折射率的一点差别里算了出来。牛顿又算出,若太阳只是一个点,主虹宽 1°45′、副虹宽 3°10′、两虹相距 8°15′;计入日面的半度,分别是 2°15′、3°40′ 与 8°25′。他自己量过:主虹最大半径约 42°,两虹最小间距约 8°30′。

涟漪效应

几何光学的边界。 主虹内侧常常还挨着几道淡淡的粉绿相间的窄带,叫附加虹。按笛卡尔与牛顿的理论,每种颜色只有一个亮的方向,附加虹根本不该存在。1803 年托马斯·杨在贝克讲座里给出答案:极值角两侧,各有两根入射高度不同的光线从同一方向出来,它们在水滴里走的路程不一样,会互相干涉,于是亮暗相间。他后来在《自然哲学讲义》里估计,造出常见附加虹的雨滴直径在百分之一到五十分之一英寸之间;雨滴大小不一时,条纹就互相抹平。

艾里积分。 1835 年,Richard Potter 在剑桥哲学会上指出牛顿式解释的漏洞:它说不出为什么雨滴大小会影响颜色——雾滴很小时,虹几乎是白的,这就是雾虹。1836 年与 1838 年,天文学家艾里(George Biddell Airy)分两次宣读了《论焦散线附近的光强》,用波动说把极值方向附近的光强写成一个积分,靠对数表手算了约九百项。结果与几何光学有一处根本不同:最亮的地方不在笛卡尔的几何虹上,而在它的亮侧,也就是主虹之内;几何虹之外光也不是一下子断掉,而是逐渐衰减。附加虹的间距随雨滴变小而变宽,大致与 (λ/a)2/3(\lambda/a)^{2/3} 成正比(aa 是雨滴半径),雨滴越小,各色条纹越互相重叠,颜色就越淡。1841 年,W. H. Miller 让一束狭缝光照在一根竖直的细水柱上,量出主虹与十来道附加虹的位置,与艾里的数比较,差别「不超出可以合理预期的范围」。这个积分后来被斯托克斯化成易算的级数,今天叫艾里函数,量子力学里线性势阱的波函数、光学里的焦散,都要用它。

完整的解。 艾里的理论仍是近似:它假定水滴远大于波长,只看极值方向附近。一个球对平面电磁波的散射,1908 年由 Gustav Mie 在研究胶体金溶液的颜色时从麦克斯韦方程组严格解出,这就是今天说的米氏散射;次年德拜为算球的光压也独立得到同一个解(丹麦的 Ludvig Lorenz 在 1890 年已用丹麦文发表过相当的结果)。这个级数对纳米颗粒几项就够,对毫米级的雨滴却要加几千项,直到有了电子计算机才真正用得上。1969 年,Herch Moysés Nussenzveig 用复角动量方法把 Mie 级数改写成少数几项物理意义清楚的贡献,彩虹、飞机下方云上的「光环」(glory)都在其中得到了定量解释。

分工上可以这样记:粒子远小于波长时,Mie 的解退化为天空之蓝的瑞利散射;与波长相当时,解释云为什么是白的;远大于波长时,就回到了笛卡尔的 42°。

如果没有它

雨滴会变成仪器。 笛卡尔的极值角只取决于折射率,艾里的附加虹间距只取决于液滴大小——反过来,量一量一片喷雾「虹」的角度与条纹,就能同时知道液滴的折射率(从而知道温度与成分)和直径。这就是燃烧与喷雾研究里的彩虹折射测量法。激光粒度仪把一束激光打进颗粒流,按 Mie 理论从散射图样反推粒径分布,药粉、水泥、墨粉的粒度都这样测;气象卫星与激光雷达反演云滴与气溶胶的大小,靠的也是同一套散射计算。

「虹」成了一个普遍的物理概念。 1959 年,Kenneth Ford 与惠勒把原子与原子核的碰撞散射做了半经典分析,发现偏转角对碰撞参数取极值时,截面上同样会出现一个尖峰和一串振荡,他们直接称之为「虹散射」。此后原子束、核反应里的「核虹」都借这个名字。2007 年,光学家做出了传播中自己弯曲的「艾里光束」,用的仍是艾里当年为彩虹写下的那个函数。

没有这一步,折射定律会晚一些找到它第一个漂亮的用处,而光学会少一块把几何光学、色散、干涉、电磁散射一层层串起来的试金石:每一代理论都拿彩虹来考自己,每一代又都在它身上看见上一代漏掉的东西。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.笛卡尔《气象学》第八讲「论虹」(1637),据 Victor Cousin 编《笛卡尔著作集》第五卷(1824)法文本
  2. 2.牛顿《光学》第一卷第二部分命题 IX 问题 IV(伦敦,1704;据第四版 1730 年本)
  3. 3.Carl B. Boyer《笛卡尔与彩虹的半径》,《伊西斯》第 43 卷第 95–98 页(1952)
  4. 4.Carl B. Boyer, The Rainbow:From Myth to Mathematics(纽约,1959)——亚里士多德、培根、狄奥多里克、德·多米尼斯一段的主要依据
  5. 5.Thomas Young, The Bakerian Lecture:Experiments and calculations relative to physical optics, Philosophical Transactions of the Royal Society 94, 1–16(1804)
  6. 6.Richard Potter, On the problem of the rainbow, shewing it to belong to physical optics, Transactions of the Cambridge Philosophical Society 6(1838 年卷,1835 年 12 月宣读)
  7. 7.G. B. Airy, On the intensity of light in the neighbourhood of a caustic, Transactions of the Cambridge Philosophical Society 6, 379–402(1836 年 5 月与 1838 年 3 月宣读)
  8. 8.W. H. Miller, On spurious rainbows, Transactions of the Cambridge Philosophical Society 7, 277–286(1841 年 3 月宣读)
  9. 9.Gustav Mie, Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen, Annalen der Physik 330, 377–445(1908)
  10. 10.Peter Debye, Der Lichtdruck auf Kugeln von beliebigem Material, Annalen der Physik 335, 57–136(1909)
  11. 11.H. M. Nussenzveig, High-frequency scattering by a transparent sphere. II. Theory of the rainbow and the glory, Journal of Mathematical Physics 10, 125–176(1969)
  12. 12.H. M. Nussenzveig, The theory of the rainbow, Scientific American 236(4),116–127(1977)
  13. 13.K. W. Ford、J. A. Wheeler, Semiclassical description of scattering, Annals of Physics 7, 259–286(1959)
  14. 14.G. A. Siviloglou 等,Observation of accelerating Airy beams, Physical Review Letters 99, 213901(2007)