彩虹？彩光環知多少

东方阿里

彩光環是一種有如神蹟般美麗的現象，然而光線為何能夠經過細小的水珠，完全逆向反射回來，形成彩光環？這成了物理學上一大難解之謎。

东方阿里

重點提要

■在山頂或飛機上看著下方的雲層，有時可能會看到彩光環，也就是在你或飛機的影子周圍出現的彩色光圈。

■彩光環的色彩和彩虹一樣，它也是由組成雲的細小水珠所產生，但彩光環的物理現象複雜許多。

■彩光環逆向射回的光能大多來自波穿隧效應。在這種現象中，光線沒有接觸水珠，但仍可將能量傳入水珠內部。

■由研究彩光環所獲得的知識，可協助氣候學家改進模型，研究雲量對氣候變遷的影響。


白天搭飛機時，先弄清楚飛行方向與太陽位置的相對關係，然後選個靠窗的座位，你就可以看見飛機的影子投射在雲上。如果幸運的話，你或許還能看見最棒的美景：影子周圍環繞著色彩繽紛的光環。它不是彩虹，而是另一種更複雜的現象，稱為「彩光環」。當飛機很接近雲時，這種現象最明顯，因為雲會滿佈整個視野。


登山者在日出後不久，影子投射在附近的雲上時，影子的頭部周圍也可能出現彩光環。史上第一則關於彩光環的觀測報告，就是在這種狀況下。這則報告發表於1748年，事情則發生在1730年代，主角是前往現今厄瓜多的潘巴馬爾卡山山頂進行觀測的科學考察隊。報告中是這麼寫的：「我們頭頂的一片雲自行消散，曙光透了出來……後來我們每個人都看見自己的影子投射在雲上……最特別的是影子的頭部周圍出現光環，由三或四個同心圓組成，色彩十分鮮明……最令人驚奇的是當時在場的六、七個人中，每個人都只看見自己的影子頭部周圍有光環，看別人的影子時則什麼都沒有。」


學者通常認為，東西方肖像畫中環繞在神祇和帝王頭部的光環，可能就是彩光環。柯立芝（Samuel Taylor Coleridge）膾炙人口的詩〈理想主體的恆常〉就是以譬喻方式來歌頌彩光環。19世紀末，蘇格蘭物理學家威爾森（C.T.R. Wilson）發明雲霧室，希望在實驗室再現這種現象。（他沒有成功，但很快就發現可以用雲霧室來偵測放射線，最後以此獲得諾貝爾獎。）


在彩光環形成的過程中，觀察者或飛機的影子沒有任何作用。它們跟光環唯一的關聯，就是影子一定出現在太陽的另一邊，代表彩光環是一種背向散射效應，讓陽光反轉了將近180度。


你可能會認為，既然這種效應相當有名，又與物理學中歷史悠久的光學領域有關，應該很久以前就有人提出解釋了。但是對科學家而言，這種「跟地球歷史一樣悠久的現象」（1748年那份報告中的說法），數百年來依然是個不小的挑戰。雖然彩虹本身遠比基礎物理教科書中的解釋來得複雜，但彩光環又比彩虹複雜許多。


理論上，彩光環和彩虹都能以20世紀初期就已存在的標準光學理論來解釋，當時德國物理學家米氏（Gustav Mie）曾提出小水珠散射光線的精確數學解。不過，可怕的東西永遠藏在細節中。米氏的方法包含稱為「分波」的項的總和，此總和包含無限多個分波項。儘管實際上產生影響的項數量有限，但米氏的方法仍然必須估算數百至數千個數學式，每個數學式都相當複雜。以電腦模擬這些方程式時，可以獲得正確結果，但仍然無法讓我們深入了解形成彩光環的物理效應。米氏提出的解只是一個數學「黑盒子」，輸入內容，就能得到結果。諾貝爾獎得主魏格納（Eugene Wigner）的評論相當貼切：「電腦能理解這個問題當然很好，但我也想理解。」盲目相信暴力數學運算，也可能得到錯誤的結論，後面將說明這一點。


我於1965年開始擬定研究計畫，希望針對彩光環提出完整的物理解釋（以及其他研究成果），在幾位合作學者的協助下，這個目標終於在2003年達成了。結論涵括了牛頓於1675年首先觀察到的波穿隧現象，它是物理學中最神秘的現象之一，目前也應用在某些電腦和手機使用的觸控螢幕上。另外，在氣候變遷研究中有個極為複雜（而且仍未完全解決）的問題，就是大氣中的氣溶膠（包括雲、塵土及煙灰）對氣候變遷的影響，波穿隧現象對這個問題也相當重要。

东方阿里

东方阿里

解謎之路

幾世紀來，物理學家對彩光環提出過好幾種解釋，但後來都證明並不正確。19世紀初，德國物理學家佛羅恩霍夫（Joseph von Fraunhofer）提出，陽光被雲內部深處的小水珠散射（也就是反射回去）之後，會再被較外層的小水珠繞射。繞射是光的一種波動特性，能讓光「繞過障礙」，就像海浪能輕易繞過垂直的柱子繼續前進，彷彿障礙物不存在一樣。


佛羅恩霍夫的想法是，這樣的雙重散射會形成帶有色彩的繞射環，類似夜空中月亮周圍雲彩上的光暈。不過在1923年，印度物理學家芮伊（B. B. Ray）駁斥了佛羅恩霍夫的說法。芮伊以人造雲進行實驗後，指出彩光環的亮度和色彩分佈跟光暈相當不同，應該是直接由雲的外層生成，形成原因則是個別水滴的單次背向散射。

Narhhy

very informative

taiwansex

beautiful~~

柒公

原来彩虹和彩光环是有分别得！在小时候傻傻的我，每当下雨过后；很喜欢骑着脚踏车，到处追彩虹。

那么每当在浇花时，所产生的就是彩光环咯！

hahameow

記得中學時代,有一次中午下了一場雨又再馬上出太陽,然後看到被學校屋頂遮住的太陽有一圈彩虹圍住
到底那是彩虹還是彩光環?
無論如何,都是很難得的現象!
彩虹之所以讓人覺得美麗,可能因為它短暫....美麗的東西還是留在心中,即使短暫

hoo00222

老老實實我先招供

見到彩虹我第一個反應係諗起小朋友果時個電影廣告...

七彩蝦條姐姐廣告 , 眾人:「 七彩蝦條姐姐呀！ 」
  
姐姐:「 各位小朋友，你話我個樣靚唔靚丫﹖ 」   

肥仔: 「 你個樣雖然靚，不過D蝦條仲靚呀！ 」

maxlive

我們看到的彩光都是陽光和水點中的折射產生。只可以說適逄其會。而不是甚麼佛光普照啊。

florence_216

beautiful!!讚

trffic

上星期都見到　雙彩紅　＠＠　但我唔識放圖上來　ｓｏｒ　

derickso

多謝，靚相！

anan84

多謝，靚相！

iwantusb

有次喺香港蒲台島
烈日當空
望上個天
有個圓形彩虹!

lpear

so beautiful, the most beautiful art work in the world.

比利

好震撼, 大自然GE 威力真係難以形容

g334455

靚 現實見到就好

lingjie

首先是谢谢你的分享
彩虹么, 在甚广时候看到的总是漂亮

g334455

由幼稚園已經知道既彩虹 原來有咁大既學問