1307

研究人员：

弗莱贝格的狄奥多里克

研究领域：

光学

结论：

光会发生折射和反射

彩虹的颜色从哪儿来？

理解光的折射和反射

德国人狄奥多里克大约出生在1250年之前的某个时间，后来他成了一位道明会修士。从1293年到1296年，狄奥多里克在道明会逐渐升迁到了很高的职位。1304年，道明会在图卢兹举行了一次全体大会，总会长埃梅里克建议狄奥多里克从科学角度研究一下彩虹。

关于颜色的错误理论

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经过长期的思考，狄奥多里克提出了一套原创的颜色理论，并通过实验进行了验证，但实际上，他的想法错得离谱。现在我们知道，颜色表现为连续的光谱（红-橙-黄-绿-蓝-靛-紫），但狄奥多里克认为，红、黄、绿、蓝是四种“主色”，其中红色和黄色是“清晰的”，或者说半透明的；而蓝色和绿色是“模糊的”，或者说不透明的。

此外，他还相信，光传播到玻璃边缘或水面附近时，清晰的颜色表现为红色，但在玻璃或水体中央远离边界的地方，清晰色就会变成黄色。如果光在透明介质中传播，那么模糊色表现为绿色；如果介质不透明，模糊色就会转为蓝色。

光的折射和反射

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为了验证自己的理论，狄奥多里克用玻璃棱镜做了一系列实验。他把棱镜放在阳光下，按照四主色理论，棱镜表面附近应该出现“清晰色”，而“模糊色”应该留在玻璃内部；清晰的红色应该出现在离镜面最近的地方，模糊的蓝色应该离镜面最远，因为棱镜深处的透明度最低。综上所述，透过棱镜观察到的色带应该按照红、黄、绿、蓝的顺序排列。

无论是在阳光下直接观察六角棱镜内部，还是让阳光穿过棱镜，在屏幕上投下色带，最终得到的结果都完全符合他的预想。根据狄奥多里克留下的示意图，我们可以推测他知道阳光在穿过棱镜的过程中发生了两次折射——进入和离开棱镜时各有一次——正是这两次折射让白光分成了颜色不同的条带。此外，从示意图中我们还可以发现，光在棱镜内部可能还会发生反射。

光的传播路径

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然后，狄奥多里克将一个很大的圆玻璃烧瓶装满水来模仿雨滴，然后透过烧瓶观察太阳。抬头和低头的时候，他看见烧瓶内部出现了同样的色带，但是这一次，色带的顺序颠倒过来：最上面是红色，蓝色则跑到了最下面，和彩虹里的色带顺序一模一样。于是狄奥多里克意识到，之所以会出现这样的反转，是因为通过烧瓶的光不但发生了两次折射，还发生了反射。从他的示意图中，我们可以清晰地看到这一点。

通过这种方法，狄奥多里克证明了特定颜色的光线在经过烧瓶时会遵循特定的传播路径，所以我们才会看到颜色。颜色是客观存在的物理现象，而不是仅仅存在于观察者眼睛里的主观幻影。

于是狄奥多里克提出，光穿过雨滴的传播路径和他在烧瓶实验中演示的一模一样。由于雨滴数量多、速度快，所以虽然它们总在不停地运动，但实际效果却像是一道静止不动的雨帘。

不幸的是，在他绘制的示意图中，太阳和雨滴与观察者之间的距离几乎相等，这意味着穿过雨滴的光不是平行的。虽然这的确能够解释烧瓶折射后的色带为什么是环形的，但我们都知道，它不符合实际情况。

事实上，太阳离我们非常遥远。请想象一下，以太阳和你的头顶为两个定位点，绘制一条延伸至地面的直线——它与地面的交点就是你在阳光下的影子边缘。彩虹与这条直线的夹角永远是42度，因此，太阳在地平线上的时候，彩虹与地面之间的夹角达到最大值——42度。而且彩虹永远都是弧形的，只有在飞机上或山顶上观察时，你才有可能看见完整的圆形彩虹。

你永远无法到达彩虹尽头，因为它根本不是客观存在的物体，只是天空中的一种光学现象。如果你奔向彩虹，它也会不断移动。

反转

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狄奥多里克把烧瓶调整到某个角度时，他观察到了第二道彩虹，而且这道彩虹的颜色顺序和前面那道恰好相反，它的顶端是蓝色的。这次狄奥多里克立即明白过来：光在烧瓶内发生了第二次反射。

虽然狄奥多里克提出的折射和颜色理论错得离谱，测出来的彩虹角度也不着边际，但他却为我们树立了一个科学研究的好榜样：提出一套理论，然后通过实验去验证，这就是科学方法的基础。