【瘋狂實驗室】來吧,捕捉彩虹!

hlkljgk@flicker


■ 彩虹的存在說明了光線的特性,但在還不瞭解光的波長是怎麼一回事的年代,要搞懂從哪裡來,還真是考倒了人類。

撰文 ∣ 張茵惠

  今天南韓首爾天上出現了所謂的「幻日弧光」(Circumzenithal arc)引起新聞報導,看起來像是一抹微笑凌空,又像是放顛倒了的彩虹。不過其實它跟彩虹的成因有點不一樣,主要來自於捲雲當中的冰晶反射日光,彩虹則是來自於雨滴的反射。但可以看出人們對彩虹以及與彩虹長得很像的東西相當感興趣。

  雖然古時候的人搞不清楚彩虹是怎麼形成的,但他們觀察到下過雨後,太陽位置比較低時,容易看到彩虹。

  古時候的中國人因此認為,「虹」是一種長長的大蛇,貫穿在天上。《山海經‧海外東經》記載:「虹虹在其北,各有兩首。」在當時的想像裡,「虹」是一種雙頭蛇,啜飲水氣為生。東漢的《釋名》這本書裡更詳細的描述:「其見每於日在西而見於東,啜飲東方之水氣也。」這說明了古人知道彩虹與太陽不會出現在同一邊。

  雖然這些說法浪漫的性質遠大過於解釋力,但倒是說對了一件事——彩虹跟水和陽光密不可分。

  在古中國人的想法裡,生物可以操縱天氣。「雲從龍,風從虎,聖人作而萬物覩」便是這樣的思維的產物。彩虹外圍的那圈顏色顛倒的東西,當然也跟蛇有關,叫做「蜺」。覺得這個字陌生嗎?它演變到後來也可以寫成「霓」,這樣你就認識了吧!

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harold.lloyd@flicker
美麗的幻日弧光—像一抹微笑的顛倒彩虹

來做個模擬彩虹的實驗…怎麼做呢?

  在十四世紀的時候,有個叫做Dietrich von Freiberg的修士作了一個實驗,來證實他的假設。他把圓形的玻璃瓶裝滿水,舉到日光底下,觀察陽光通過這個瓶子時發生了什麼事。他首度把水瓶想像成一顆雨滴,而不是一朵雲(在他之前的科學家都弄錯了這點),陽光在圓圓水瓶裡發生的事,就是在每一滴水裡發生的事。他發現陽光先折射,再反射,接著又折射一次,不同顏色的光線於是發散出去,映成彩虹。不同顏色的光線因為反射角度不同,而位置不會重疊在一起。雨滴在此的作用就可比是一堆「不斷落下的鏡子」(註),彩虹看似靜止,但照出它的水滴則是不斷往下墜的。

  不過Dietrich von Freiberg無法解釋為何光線會散開成不同的顏色。因為那時候還沒有波長的概念。他於是推斷,這些顏色的變化可能跟光線入設的深度跟水的透明度有關吧?這推論也挺合理的,只可惜不是正確答案。Dietrich von Freiberg最大的貢獻就是他可以用元素的方式來思考那個水瓶(之前的人們也有水瓶,但從來沒把水瓶想成一滴水過),並把結果推導到整體。

  彩虹一度被古代中國人認為是凶兆,又被認為是大蛇,這可能或多或少阻礙了古人研究彩虹的興趣。唐朝的時候孫彥先曾提出:「虹乃雨中日影也,日照雨則有之。」宋代科學家沈括也引用過這段話,這是十一世紀的事。看起來沈括好像已經瞭解了彩虹的部分本質?倒也不盡然,《夢溪筆談》記載他很開心的追著彩虹跑,看見彩虹的兩端都泡在溪流裡這件事,他說:

  「世傳虹能入澗飲水,信然。(大家都說彩虹會喝水,真的沒錯。)」

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附註:參考資料Das Buch der verrückten Experimente by Reto U. Schneider (2004)
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10 thoughts on “【瘋狂實驗室】來吧,捕捉彩虹!

  • 2010 年 03 月 12 日 at 16:35:50
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    大概因為天狗吃月吧!(誤)
    日本人相信天狗會在天上出現大笑臉,不過他們的天狗長的比較像烏鴉,又稱「鴉天狗」。

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  • 2010 年 03 月 13 日 at 08:21:34
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    Watching dog
    Smiling cat
    Happy family
    rarely appear

    Reply
  • 2010 年 03 月 13 日 at 11:22:05
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    這是...
    看門狗
    微笑貓
    好人家
    世上少?

    怎麼有一種紅樓夢開頭的打油詩(好了歌)的感覺.....

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  • 2010 年 03 月 14 日 at 16:55:51
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    這輩子,我在五六年級時看過一次完整的圓形弧光,環繞在太陽週圍。想當然耳是正午時光,路上行人都駐足仰頭觀看,嘖嘖稱奇。成人後是否還看過一次,已是印象模糊,不復記憶。

    晴天的高空冰晶,水火不容,少見不算意外。Smiling cat 是小說杜撰,不常見倒也不足為奇。

    至於happy family,是因為朋友提到現在一夫一妻的小家庭養小孩不容易,以致不婚族或頂客族越來越多。此話甚有見地,人類的社會行為當是源自狩獵採集為生的小型群落,孩童的扶養照顧常靠父母以外的親戚友人(婦女)相扶持,這是生物演化行為。一夫一妻的小家庭是文化產物,未必符合生物性演化的特質。換句話說,社會中有許多親生父母沒有能力養育子女或不適任,當不足為奇。父母不懂教育,更不奇怪,因為近代的學校教育是專業。現在大家認為從小進學校讀書認字,學得知書達禮,長大後男婚女嫁、為人父母都是天經地義的事,忽略了天下沒有白吃的午餐,很少事是理所當然的。

    既然人類的生物性可能走到了盡頭,我們就更應重視文化的影響。我倒不是在提倡community life。歷史或能做為參考,未必能提供答案。演化的路只能往前看。

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  • 2010 年 03 月 15 日 at 18:05:34
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    文中寫到 '' 他首度把水瓶想像成一顆雨滴,而不是一朵雲(在他之前的科學家都弄錯了這點),陽光在圓圓水瓶裡發生的事,就是在每滴水分子裡發生的事。''
    但應該不是每滴"水分子",而是每滴水吧?

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    • 2010 年 03 月 16 日 at 18:06:11
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      對耶!感謝指正。^_^;

      Reply
  • 2010 年 03 月 17 日 at 17:24:47
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    我和Zoe談到這個問題時,提到許多科學家熟悉微觀世界的模型,可能不是一般非科技背景專業所習慣的認知範疇。

    微觀世界在10-4~10-5公尺的尺度,肉眼就不能見(毫芒雕刻及書寫都是神技)。所以虎克開始用顯微鏡時,會引起社會的偌大風潮。當人們看到栩栩如生,眼睛卻看不到的虱子、跳蚤時,顯然引起社會震憾。更重要的是從此開啟了人類的微觀視野。

    十八到十九世紀,近代化學萌芽,化學家成了分子世界的專家,雖然眼不能見,發展出的規律建構在一個粒子的世界上,卻是發展神速。二十世紀的八○年代,IBM用穿隧掃描顯微鏡照到了原子尺度的影像,我倒不覺得引起了非科技社會多大的回響。十年後,奈米科技竄起,一炮而紅,但普羅大眾知道多少奈米還是個問號。由是可知,知識若不能進入傳播領域,要讓眾人有fu,絕對是事倍功半。科學知識要想廣傳,必須採取科普傳播的手段,開拓科普傳播的市場。

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  • 2010 年 03 月 17 日 at 22:27:31
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    自己出來自首....

    水分子跟水滴的差別困擾了我一兩天。這看起來是很直觀的問題,但只靠自己推敲的話,實在弄不懂差別何在,陽光無法在很小的東西裡反射嗎?還是根本上一開始我就弄錯了什麼?(哭,高一理化常識不夠用....)後來我抓了孟哲來問....他說,水分子是個微觀的單位,水滴是它的聚合體,折射是個鉅觀的現象,加上水滴必然是液態的,水分子則有三種型態,因此講水滴是比較好的。

    不過這個實驗的其他部分我沒有講錯啦~感謝大家這麼認真的看文章....以後還請繼續指教。:D

    by 負荊請罪的文章作者

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