為什么我們看見的彩虹 是彎的？

想必很多人都見過彩虹，一說到它，你腦海里總能浮現出一道七色圓弧。但你知道彩虹為什么是彎的嗎？彩虹真的是恰好七種顏色嗎？
古代人對彩虹的觀察和研究
對彩虹的研究最早可以追溯至公元前 4 世紀。亞里士多德是第一個認真研究彩虹的人，他曾指出彩虹最為重要的幾個特征，比如：如果太陽在地平線上升起得不太高，彩虹就會出現。彩虹不會出現在夏日的中午，我們可以同時看到兩條形狀相同但顏色順序排列相反的彩虹，其中外側那條顯得略為松散，彩虹主要由三種（或四種）顏色組成（現代的RGB三原色理論亦基于此），但是有一個很重要的現象亞里士多德并沒有注意到，那就是兩條虹中間的區域亮度較暗，直到公元約 200 年雅典哲學家亞歷山大（Alexander of Aphrodisia）才觀察到這個現象，所以后人就將這條暗帶命名為“亞歷山大暗帶”（dark band of Alexander）。板橋隆乳手術 另外，亞里士多德對彩虹的解釋并不正確，他認為只有大的鏡子可以反射出物體的全部外形，他把天空中的水滴比做小鏡子，認為這個鏡子太小了，不可能反射出整個太陽，但是又必須得有什么東西反射出來，所以會有顏色呈現出來。而且，亞里士多德也沒有注意到光的折射作用。
在此之后，古羅馬哲學家塞內卡、波斯物理學家海什木等人也都曾發表過自己的看法。中國北宋時期一位叫 孫思恭 的精通天文歷算的進士也曾說過“虹乃雨中日影也，日照雨則有之”（沈括《夢溪筆談》），這些均只停留在對現象的思考上，沒有更多深入和本質性的研究。
彩虹是怎么形成的
我們現在知道，彩虹的形成和光的折射有關。所以直到人們發現折射定律，彩虹問題才有條件被解決。光入射到不同介質的界面上會發生反射和折射，入射光和折射光位于同一個平面上，且與法線的夾角滿足如下關系：
其中， n1 和 n2 分別是兩個介質的折射率，θ1 和 θ2 分別是入射光（或折射光）與法線的夾角，叫做入射角和折射角。這個定律最早在公元 984 年被波斯科學家 IbnSahl 精確描述。隨后又被英國科學家 托馬斯·哈利奧特 （1602 年）、荷蘭物理學家 威理博?斯涅爾 （1621 年）、法國數學家笛卡爾（1637 年）等人先后獨立發現這個定律。
其中，笛卡爾利用折射定律，成功解釋了彩虹是如何形成的。笛卡爾假想在一個AFZ 平面內，光線從AF處射出，人眼位于E 處。如果這時把一個代表水滴的圓球放在 BCD 處，那么D 部分將呈現全紅色且比其它部分都更明亮。而無論是把球向前向后還是向左向右移動，這個現象均不會改變。笛卡爾測出此時的∠DEM 約為 42°（M 為彩虹的圓心）。之后他將∠DEM 調得稍大一些，觀察到紅光立刻就消失了，稍小一些，則能看到黃色、藍色等其它顏色。在仔細檢查BCD 處的球后，笛卡爾得出結論：光線AB在B點處射入球體發生折射打到C點，隨后在C點處發生反射傳遞到D點，并在D點再次發生折射而出。
上面這段話并不太好理解，轉化成現代語言就是：以空中的一個水珠為例，如下圖所示，光線在水滴內發生兩次折射和一次反射。其中α為入射角，β為折射角。容易看到，角D（α）就是最后的光線偏離原始方向的角度。
為什么中午很難看到彩虹
順帶一說的是，你在中午幾乎看不到彩虹。因為太陽位于底面圓心（即彩虹的圓心）與人眼連線的延長線上，這導致了彩虹不會出現在中午——太陽越高，彩虹的圓心將越往地平線以下偏移，這使得彩虹整體下移。當然如果從空中俯瞰的話，可以觀察到完整的圓形彩虹。板橋隆鼻手術 如果沒有飛機，站在視野開闊的高山之巔也有可能看到。
彩虹是七色的嗎？
說完彩虹的形狀，不妨再說說彩虹的顏色。一種廣為流傳的說法是彩虹由 7 種顏色組成。但事實上彩虹是一道由紅色到紫色的連續光譜（“光譜”一詞最先由牛頓創造），并非真的只是由7種涇渭分明的顏色組成。1665 年牛頓在棱鏡實驗中將可見光分為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫這7種顏色，實際是受到了來源于古希臘的畢達哥拉斯學派的影響。畢達哥拉斯學派認為數學是美的（比如他們搞出的“黃金分割”），在禱文中他們認為1是純潔的，4是圣潔的，10是萬物之母，而數字7則象征著完美。在牛頓之前，“七原色”（seven principal colours）的概念就已出現在中世紀的神秘主義和煉金術理論之中，并在文藝復興時期成為遵行的顏色理論。