手把手教你自制彩虹！天氣之子告訴你彩虹的盡頭有什麼？_風聞

世界上每按下一次快門，就有一個直男失去女朋友。我剛學了拍彩虹的創意攝影，就去找妹子拍照，你們大家評評理，這照片拍得不妙嗎？

　　多好看啊！

　　覺得妙的請在評論裏打1，覺得不妙的請評論一下sinx在0到pi/2上的積分。

　　果然大家還是覺得妙啊！平時雨後難得出個彩虹，朋友圈都會刷屏。但剛才我們妙就妙在

　　它就在面前，看起來美美的，摸起來涼涼的，嚐起來怎麼有點奇怪……

　　回想一下我見過的雨後彩虹，我不禁陷入沉思。為什麼所有人看到的彩虹都是一個正面的七彩圓拱門呢？

　　如果一個人站在這，他能看到彩虹的左視圖嗎？

　　那麼今天，我就來帶大家走到彩虹旁邊，告訴大家在彩虹的盡頭能看到什麼。

　　一、彩虹的形成原理

　　雨過天晴的好日子，你背對太陽，面前有一坨小水珠構成的幕布，跟你的距離為d，太陽高度為θ。

　　一束陽光照進小水珠，首先在表面發生了一波反射和折射，這個折射滿足我們學前班就學過的斯涅爾定律。

　　折射光到達水珠背面，又產生了兩條折射的折射光和反射的折射光。反射的折射光回到水珠正面，又產生了反射的反射的折射光和折射的反射的折射光。

　　其中這條光路是最重要的，建立一個座標系，易得它們的方程。

　　整體上看，水珠相當於把入射光彎折了一定角度又送回來了。那麼究竟彎折了多少度呢？實際上有無數道平行光射入小水珠，每根光線被彎折的角度都不一樣。

　　我用matlab生成了十萬條平行光射入水滴，逐個畫出光路統計了彎折角，發現被彎折了42度左右的光線最多。

　　哦?！難道這就是為什麼42是世界的答案！

　　這個問題的理論證明是笛卡爾提出的，朱朝陽都能看懂，相信你也可以。

　　綜上所述，平行光入射，相當於變成夾角為84度的光錐。七色光的折射率略有不同，返回時外紅內紫。在三維空間中看，相當於變成了一個七彩大光錐。

　　現在回到那個水幕，想象你面前的每個水珠都發射了一個84度的光錐。

　　光錐的邊緣是七色的，所以那些發出的七色光恰好能進入你眼中的水珠看上去就是七彩的，它們就構成了彩虹的形狀。

　　這些水珠和你的連線與太陽光的夾角應該是42度，所以彩虹就是太陽對面的一段圓弧。換個思路想，彩虹相當於是從你的眼睛發出的一個七色光錐與水幕的相貫線。

　　這裏對空間想象能力要求略高，想不明白的同學可以往死裏想。現在我們能回答關於彩虹的各種問題了！

　　首先是周杰倫同學的問題

　　**我來告訴你！**彩虹看上去在距離你d的水幕當中，仰角42-θ，表觀半徑約為d[tanθ+tan(42-θ)]。

　　還有更神奇的，彩虹下面的天空比上面更亮。彩虹的上面還有一個外紫內紅的二階彩虹，理論上東北比海南更容易看到彩虹。

　　不過彩虹位置並不固定，你動它也會動。所以你壓根不可能繞到彩虹的旁邊，也永遠看不到彩虹的側視圖，它永遠在你可望而不可及的前方守護你。

　　不過好消息是，你站得越高，看到的彩虹就越完整。如果你爬到高山上，你甚至有可能看到整個彩虹環。

　　走，一起爬山啊。

　　現在你已經學會如何給別人表演一個大變彩虹了。

　　首先測出太陽高度角θ，背對太陽瘋狂噴水！觀察水霧中視角42-θ的方位，彩虹就在那！

　　怎麼噴並不重要，關鍵是水霧要多要細。只要噴得足夠細，輕鬆造一個彩虹送給女朋友也不是問題。

　　二、彩虹的延申

　　用這種方法可以給女朋友拍出美麗的彩虹照，但她可能會一頭霧水。別怕，我還有很多招。

　　用光照一盆水，牆上會打出好幾道彩虹，拍照非常有藝術感，現在的女生都喜歡。

　　如果你覺得比較麻煩，那你可以買塊鑽石，鑽石色散直接就能產生彩虹。

　　這個簡單吧！完事後反手一個求婚，試問哪個女生看了不會驚呼一聲

　　仔細觀察，其實生活中到處都有彩虹。陽光下的泡沫是彩色的。這是因為泡沫厚度在百納米級別，光發生了薄膜干涉，產生彩虹般的條紋。

　　這種色彩非常常見！水面上的油膜、CD的另一面、蝴蝶的翅膀、車牀車下來的鐵屑、甚至我家的醬牛肉上。

　　任何一層薄薄的透明物體，都有可能發生薄膜干涉，產生彩色的圖像。

　　把一量筒蔗糖溶液放在偏振片中，定睛一看，你會發現溶液的顏色竟然變換莫測，反覆橫跳！

　　有機優秀的同學應該知道這是因為蔗糖有旋光性，偏振光通過蔗糖溶液會被旋轉一個角度，最後通過偏振片變成了彩色的溶液。

　　剛才給大家展示了生活中的很多彩虹現象，但你會發現這個説法

　　素材來源於@滄桑丸

　　那些彩虹般的顏色其實並不是真實的存在。鑽石、泡沫、油膜、CD、蔗糖、醬牛肉，它們其實沒什麼特別的顏色。

　　那為什麼這些看似毫無關聯的物質最後卻殊途同歸，共同構成了一幅七彩的畫卷呢？

　　這是因為我們看到的顏色，不僅僅來自於物質原本的顏色，還來自於它的微觀結構。

　　天空是藍色，不是因為天上有藍色的東西。把一個藍眼睛的人的虹膜分離出來製成粉末，你會發現它是棕黑色的。有時物質的微觀結構會決定它呈現出來的顏色。

　　這是光的特殊之處。別的物理量比如尺度的變化，無非是短到長，質量的變化，無非是輕到重，平平無奇。但光波長的變化

　　我們前面説的那些物質，都是在微觀上有精細的結構。

　　所以自然光通過這些物質時，會由於反射、折射、干涉、衍射、雙折射、旋光、偏振等等我們小學二年級就學過的各種光學效應，七色光就此被區分開來，從而給一個難以捉摸的微觀結構賦予了炫麗的色彩。

　　這才讓我們能用顏色去描繪泡沫的厚度，看清蔗糖的手性，表徵CD的刻痕。

　　三、深度思考

　　那麼很自然就能想到，我們能不能用光的這個性質去觀察一些原本看不見的東西呢？在這個世界上，只要有科學家敢想，就有工程師敢做。

　　這是一把平平無奇的尺子，加上一層平平無奇的片片，amazing啊！尺子出現了詭異的花紋。這個現象叫光彈性。

　　塑料製品內部不均勻，但“不均勻”是一個看不見的事。偏振光通過塑料製品時會由於雙折射現象導致兩束主應力方向的光分量偏振態不同，通過偏振片後干涉出現彩色圖樣。

　　素材來源於@ACQUAIN

　　這個圖樣，就非常simple，非常簡單，它讓我們直觀看見了塑料內部不均勻的應力分佈。

　　這門技術發展成了光測彈性學。它可以判斷複雜結構在複雜載荷下究竟哪裏最脆弱，斷裂的時候材料內部發生了什麼。

　　比如有文獻拿它尋找建築內應力集中的區域，牙醫用它分析補的牙在嘴裏是否安好，大家很喜歡的魯伯特之淚用光彈法一看，就能看出這玩意是真的頭鐵。

　　素材來源於@Purdue Engineering

　　光是科學家看清微觀世界的巧妙工具。比如白光干涉儀可以用彩虹條紋看出材料表面幾十納米的波動起伏。

　　偏光顯微鏡能用彩色放大物質內部細微的性質差異。七色光幫我們還原了一個精細而炫麗的微觀天地。

　　你靠光看見了這個世界，而科學家用光學看見了那些原本看不見的世界。所以彩虹可不只是雨過天晴的夢幻，彩虹也是微觀的畫卷。

　　感謝大家收看本期內容！最後留下一道思考題：

　　七色光本質上是很窄的一段電磁波，為什麼大多數視覺動物都不約而同選擇了這段電磁波用來成像呢？