彩虹形成的真正原理是什么？

阳光照射在晶莹的雨滴上，为何会分解成我们所见的缤纷彩虹？

这一原理，与白光透过透明玻璃棱镜或钻石被分解成彩色光带的过程完全相同（见图 1）。卡迈勒・丁・哈桑・伊本・阿里・伊本・哈桑・法里西曾对这一现象开展过详尽研究。

1300年，法里西在故土波斯（今伊朗）潜心研究，设计了一系列极具创新性的光学实验，用以探究光的本质，并厘清前代科学家的研究成果。

彼时尚无显微镜可以观测大气中微小的雨滴，于是法里西自制了一个巨型水滴装置：他将大型玻璃容器注满水，置于暗箱之中，借此精准控制光线的入射路径。通过观测实验产生的彩色光谱，他推断出：雨滴能够将白光拆分、色散，分解为彩虹的各色光芒。与法里西同一时代的德国学者弗赖贝格的狄奥多里克，也利用其他器材完成了同类实验。

我们肉眼能分辨出彩虹约六种颜色：赤、橙、黄、绿、蓝、紫，有时也会将青色单独列为一色。这些颜色分别对应不同波长的光，如图 2 所示。当人眼接收单一波长的纯色光时，只会感知到六种色彩中的一种，具体取决于光的波长。日常生活中我们所能辨识的成千上万种其他色调，都是人眼对不同波长光混合后的视觉反馈。

尤其值得一提的是，白光是所有可见光波长近乎均匀混合的复合光。太阳光通常被视作白光，但因其波长组分的配比特点，肉眼看上去略微偏黄，不过太阳光本身包含了全部可见光波长。彩虹的色彩排列顺序与图示完全一致，这说明白光在形成彩虹的过程中，会按照波长被依次散开。

色散的定义：白光被分解为完整波长光谱的现象。从更专业的角度来说，只要光的传播特性随波长发生变化，就会产生色散。

任何形式的波都可以产生色散现象。例如声波、各类电磁波以及水波，都会依据波长发生色散。色散的产生往往需要特定条件，也能造就彩虹这般壮丽的自然景观。

声波亦是如此：通常情况下所有频率的声波传播速度相同，但若通过长管道（如吸尘器软管）传声，便能清晰听到声波因与管壁相互作用而产生的“声散”。

事实上，通过色散特征，我们能够反推波在传播途中遇到的介质与物质。比如，来自外太空的电磁辐射色散现象，为人类揭示了恒星之间星际介质的物质构成。

折射是形成彩虹及诸多色散现象的根本原因。根据斯涅尔定律可知，折射角大小取决于介质的折射率。我们已知折射率n与介质种类相关，而对于同一种介质，折射率也会随光的波长改变（见表 1）。

由表格可见：同一介质中，波长越短，折射率越大，紫光的折射率达到最大值。因此紫光的偏折程度远大于红光，棱镜分光现象正是如此（见图 3b）。白光经色散后，呈现出与图 1、图 2 一致的波长色彩序列。

表 1 常见介质在不同波长下的折射率

彩虹的形成是折射与反射共同作用的结果。想必你早已发现：只有背对太阳时，才能看到彩虹。阳光射入雨滴，经雨滴后壁发生反射，且在进入雨滴和离开雨滴时各发生一次折射（图 4）。

由于水的折射率随波长变化，白光被色散分解，我们便能观测到彩虹（见图 5a）。雨滴后壁反射过程无色散，因为反射定律与光的波长无关。

人眼所见的彩虹色彩，是无数雨滴将光线经折射、反射后送入人眼的综合效果。阴暗的暴雨天空作为背景时，彩虹观感最为绚烂；瀑布、草坪洒水器旁也常能见到彩虹。

彩虹呈弧形，是因为观测者必须与太阳光入射方向保持特定夹角才能接收到色散光线（见图 5b）。若光线在雨滴内部发生两次反射，便会形成 “副虹”这种罕见天象：副虹位于主虹上方，色彩排列与主虹相反，红光处于最小仰角，紫光处于最大仰角。

色散造就了绚丽的彩虹，却也会给光学系统带来不利影响。光纤通信中用于传输信号的白光会发生色散，信号随时间展宽，最终与其他信号发生串扰重叠。而激光近乎单一波长，色散极小，在信息传输领域相比白光更具优势。

与之相反，来自外太空的电磁波色散，却能被人类加以利用：通过分析电磁波的色散特征，便可推算其传播路径上所穿过的星际物质总量。