为什么彩虹是弧形的?

雨后看到过彩虹。它总是弧形。

但为什么总是弧形? 不能是直线吗? 不能是完整的圆吗?

而且彩虹到底在哪里? 走过去能摸到吗?

常见答案:"彩虹是阳光像棱镜一样被分解形成弧形" — 或者"雨滴排列成弧形"。听起来合理。但这并非本质。

其实彩虹不在空间的任何位置。彩虹 = 以观察者为中心的42°圆锥的截面。

阳光进入水滴时,折射(进入时) → 反射(水滴后面) → 折射(出来时)。不同波长(颜色)的折射角度略有不同 → 分光。红色约42°角返回观察者。紫色约40°角返回观察者。这之间的角度显示彩虹的所有颜色。

那为什么是弧形? 观察者看到的太阳正对面(对日点)是彩虹圆锥的中心。围绕这个中心、位于42°圆锥上的所有水滴,都向观察者发送彩虹光。当这个圆锥被地平线切割 → 弧形(半圆)。在飞机上或瀑布水雾中,没有地平线 → 完整圆形彩虹。

→ 彩虹不是空间中的物体,而是以观察者为基准的光学现象。旁边人看到的彩虹其实是不同的彩虹(每个人的42°圆锥位置不同)。彩虹无法触及的原因 — 它会跟着你一起移动。

下图分阶段展示太阳·水滴·观察者的关系。① 阳光进入水滴,经折射→反射→折射分成七色。② 红色约42°返回观察者(红色42°标注)。③ 以对日点为中心的42°圆锥显现。④ 地平线切割该圆锥形成弧形彩虹。左右拖动观察者(↔),彩虹会跟着移动 —— 所以你永远到不了它的尽头 —— 按下"飞机视角"按钮,地平线消失,变成完整的圆。

用步骤按钮(1·2·3·4)推进。拖动观察者(↔),彩虹随之移动;"飞机视角"显示完整圆形。

[飞机上看的彩虹] 从飞机上看彩虹,会看到完整圆形。因为没有地平线切割圆锥。瀑布水雾中也一样。

[彩虹尽头的黄金传说] 传说彩虹尽头有黄金,但其实彩虹没有位置 — 它会跟着你一起移动。永远无法到达彩虹的尽头。

[双彩虹] 偶尔可以看到第二道彩虹,是水滴内反射两次的光(51°角度)。位于主彩虹外侧,颜色顺序相反(红色在内侧)。

[同一地点、不同人 = 不同彩虹] 旁边人看到的彩虹其实是不同的彩虹。每个人的42°圆锥不同。两个人不可能同时拍摄完全相同的彩虹。