這張彩虹的照片是我們一家十月份秋游的時候拍到的。這道彩虹雖然不完整，但卻是我迄今看過的最明亮的。更有意思的是，這道彩虹的內(nèi)側(cè)，也就是紫色再往里，可以看到還有好幾道比較暗淡的粉紅色和綠色。這就是所謂的“多余虹”了（ Supernumerary Rainbow）。
對彩虹的成因，中學教科書里大致是這樣介紹的：陽光在大小合適的小水滴中發(fā)生了折射，不同顏色的光折射角不同，于是白光被分解成了一系列顏色。
這種解釋當然沒錯，是“幾何光學”的經(jīng)典結(jié)論。
所謂幾何光學，就是一個最基本的假設——將光看成一條射線，再加上幾個基本原理，包括直線傳播原理、反射定律、折射定律和光程可逆。有了這幾條，就可以解釋彩虹、日暈等等許多光學現(xiàn)象了。
可是，當我們發(fā)現(xiàn)彩虹的紫色以里還有別的顏色的“多余虹”，光用“幾何光學”就解釋不了了。于是，我們必須進入到“波動光學”或者叫作“物理光學”的范疇。
在物理光學里，可見光是電磁波，和其他各種波——比如水波和聲波一樣，擁有一些波的共性，最典型的就是衍射和干涉。多余虹的產(chǎn)生，就是光的干涉的結(jié)果。
按幾何光學來看，水滴的折射對混合光（白光）起到的作用就是通過不同的折射角把它們分離出來。而在物理光學里，因為光被看作是一種波，而波就有波長、波幅以及相位等參數(shù)。于是，水滴的折射不僅起到了前面說的作用，而且還讓光在折射與反射的過程中產(chǎn)生了光程差。光程差意味著相位差，最終導致干涉現(xiàn)象——也就是多余虹。
還是沒說清楚？咔咔，我本來也不是一個合格的科普作者。想要詳細解釋的，請看這里。
大概意思就是，主彩虹的原理就跟你用三棱鏡看到七色光的原理是一樣的；“多余虹”的原理，就跟下雨天在地上看到的彩色油膜的原理是一樣的。
這篇文章更主要的目的是想讓大家對科學理論的發(fā)展模式有一個比較直觀的感受。幾何光學可以有效地解釋主彩虹，但是解釋不了多余虹現(xiàn)象，怎么辦？那就要修改理論，加入一點別的假設，采用物理光學的原理來解釋。顯然，物理光學比幾何光學更加完善，但我們不能說物理光學“推翻”了幾何光學，只能說物理光學涵蓋了幾何光學，而幾何光學是物理光學在一定條件下的近似罷了。
