关于彩虹的真相：它们其实是完整的圆圈

当我们看到彩虹时，我们通常会感叹它们的美丽和神奇。它是一道由阳光反射水滴而形成的弧形光带，将白光分解成了所有的颜色。有时，我们还会看到第二道彩虹，在第一道彩虹的上方，颜色顺序相反，更加微弱。我们可能会认为彩虹就是这样的形状，但其实不然。

出现于阿拉斯加朗格－圣伊利亚斯国家公园暨保护区的双虹，可见主虹内侧还有复虹。拍摄者头部的影子相当于彩虹的圆心，即反日点。

物理学告诉我们，彩虹的真实形状其实是一个完整的圆圈。只是在大多数情况下，地球或其他前景物体挡住了我们看到完整彩虹的视线。但如果条件合适，我们就可以看到360度、全色谱的圆形彩虹。这篇文章将向你解释彩虹是如何形成的，以及为什么它们其实是完整的圆圈。

长沙站前洒水车喷水形成的彩虹。

要形成彩虹，我们只需要三个要素：一种白光源、一些球形的水滴、以及一个观察者。白光源通常是太阳，但也可以是月亮或人造光源。水滴可以来自雨、雾、瀑布、喷泉或花园水管等。观察者就是我们自己，或者任何能够看到彩虹的生物或仪器。

当白光射向水滴时，它会发生几件事情：

• 首先，它会在水滴表面发生折射，即改变方向；
• 然后，它会在水滴内部发生反射，即弹回原方向；
• 最后，它会再次在水滴表面发生折射，即再次改变方向。

造成虹与霓的光学原理，左上为产生霓的光学过程，右上为虹的过程

这个过程中，白光被分解成了不同波长的光，也就是不同颜色的光。不同颜色的光在水中的折射率不同，也就是说，在进入和离开水滴时改变方向的角度不同。因此，当白光从水滴中出来时，它已经被分散成了一个彩色扇形。

观察者在什么位置才能看到这个彩色扇形呢？答案是，在与太阳相反的方向，并且与太阳连线和水平面夹角为42度左右的位置。这个角度称为主彩虹角（primary rainbow angle），它对于所有颜色都一样。

艾萨克·牛顿爵士对棱镜颜色的观察。将其与可见光谱的彩色图像进行比较显示，牛顿的“蓝色”对应于青色，而牛顿的“靛蓝色”对应于蓝色。

也就是说，在这个角度上，观察者能够看到所有颜色的光从水滴反射出来。如果观察者在这个角度之外或之内，则只能看到部分颜色或没有颜色。

如果我们把所有能够让观察者看到主彩虹角的水滴连起来，我们就得到了一个一个圆锥面，圆锥面的顶点就是观察者的眼睛，圆锥面的轴线就是与太阳相反的方向，圆锥面的半顶角就是主彩虹角。

虹与霓的特征是外弧（霓）的颜色排列与内弧（虹）相反，在两道弧之间是黑暗的亚历山大带。

这个圆锥面与水平面的交线就是我们通常看到的彩虹弧。如果我们能够在空中看到这个圆锥面，我们就能看到完整的圆形彩虹。

有时，我们还会看到第二道彩虹，在第一道彩虹的上方，颜色顺序相反，更加微弱。这是因为有些水滴中的光不仅发生了一次反射，还发生了两次反射。这样，光就会再次改变方向，并且损失更多的能量。

这种情况下，观察者能够看到光的角度为51度左右，这个角度称为次彩虹角（secondary rainbow angle）。同样，如果我们把所有能够让观察者看到次彩虹角的水滴连起来，我们也会得到一个圆锥面，只是它的半顶角比主彩虹角大一些。因此，第二道彩虹也是一个完整的圆圈，只是更难看到而已。

那么，我们要怎样才能看到完整的圆形彩虹呢？有几种方法可以实现这个目标。一种方法是乘坐飞机，在有阳光和雨云的天空中飞行。如果飞机在雨云上方，并且与太阳相对，我们就有可能看到完整的圆形彩虹。另一种方法是使用花园水管，在阳光下喷出细小的水雾。如果我们背对太阳，并且把水管对准与太阳相反的方向，我们也可以看到完整的圆形彩虹。还有一种方法是站在高处，比如山顶或楼顶，并且在有雨和阳光的时候向下看。如果我们能够找到一个没有前景物体遮挡的地方，我们也许能够看到完整的圆形彩虹。