神蹟？彩虹？彩光環知多少 - 科學人雜誌

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 ... 購買本期 瀏覽全文前往科學人知識庫 編輯推薦 神蹟？彩虹？彩光環知多少 2012-02-01 努森斯維希 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。

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（SamuelTaylorColeridge）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（GustavMie）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（EugeneWigner）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。

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（JosephvonFraunhofer）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。

芮伊嘗試以幾何光學來估算背向散射。

幾何光學在歷史上一直是採行光的粒子理論，將光的傳播視為直線行進，而不是以波動的形式。

光接觸兩種不同介質（例如水與空氣）間的交接面時，一部份會被反射，另一部份則會穿透並折射（例如鉛筆一半浸在水中時，看起來像折成兩段的現象）。

進入小水珠的光在水珠另一側反射一或多次，最後又射出水珠。

芮伊認為光沿水珠中心軸行進，並在進入水珠時及在水珠另一側時都會被反射。

但是，即使考慮多次來回軸向反射，最後的光也會太弱，難以形成彩光環。

因此，彩光環的理論必須跳脫幾何光學，考慮光的波動特性，尤其是繞射等波動效應。

繞射和折射的不同在於，波長越長，繞射越強。

從彩光環的內圈是藍色（波長較短）、外圈是紅色（波長較長）可以得知，彩光環是一種繞射效應。

說明小水珠等球體繞射的數學理論稱為「米氏散射」，其解的計算方式是無限多個分波項的總和。

每個分波都是相當複雜的函數，包含小水珠的大小、折射率（水使光線曲折的能力與其他介質相較的比率），以及光線與小水珠中心點的距離（稱為光線的衝擊參數）。

要探討尺寸分佈範圍夠廣的小水珠所形成的米氏散射，計算過程非常複雜，沒有高速電腦的話很難實行。

直到1990年代，超級電腦才開始能夠針對尺寸分佈範圍極廣的雲中水珠，計算確切的結果。

研究人員需要更好的方法來探討它的原理。

現代無線電天文學的先鋒哈斯特（HendrikC.vandeHulst）於20世紀中期首先深入探究光環的物理解釋。

他指出，在非常接近邊緣處進入小水珠的光線，可能會在水珠內形成V字形的行進路線，在水珠的背面反射，幾乎完全沿相同路徑逆向射回。

由於水珠是球形對稱的，所以在來自太陽的許多條平行光線中，具有適當衝擊參數的光線不只一條，而是與水珠中心點距離相同的一整圈光線，這個聚焦效應大幅強化了背向散射效果。

【欲閱讀全文或更豐富內容，請參閱〈科學人知識庫〉2012年第120期02月號】   購買本期 #關鍵字：編輯推薦、物理 更多文章 編輯推薦透視催眠2016/10/01納許（MichaelR.Nash）「現在，你覺得越來越睏，很想睡覺.......」在一間維多利亞時期風格的起居室中，坐著一名年輕女子，一個穿背心的男人在她面前，來回搖晃一只懷錶。

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