文|王梓 明海

大自然的光學(xué)魔術(shù)

文|王梓 明海

在撒哈拉沙漠最荒涼的死寂之處，有一個(gè)直徑48千米的“沙漠之眼”，它擁有翡翠般碧綠的顏色，如同一只目光深邃的巨眼正凝視著天空……神奇的大自然就像一位魔術(shù)師，用多彩的光變著一個(gè)個(gè)光學(xué)魔術(shù)，為我們展現(xiàn)繽紛的世界。

藍(lán)天·白云·夕陽——光的散射

湛藍(lán)的天空，飄浮著朵朵白云，這樣的天氣總是給我們帶來好心情。天空為何會(huì)呈現(xiàn)藍(lán)色，云朵又為何是白色呢？其實(shí)是大自然利用了光的散射原理完成了這些顏色的變化。

太陽光是廣譜的，包含紅外光、可見光、紫外光?？梢姽庥址殖杉t、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等不同顏色的光，它們的波長依次減小，以580納米的黃光為中心波長。這些不同顏色的光線合在一起，就在我們的眼中產(chǎn)生了白色的視覺，所以太陽光的本色是白色。

大氣中的塵埃、大氣分子等線度比光波長小的微粒對穿過它的光線產(chǎn)生散射，這種散射的特點(diǎn)是光的波長越短，散射作用就越大，因此偏藍(lán)的光散射強(qiáng)，偏紅的光散射弱。這就是天空呈現(xiàn)藍(lán)色的原因。

天空中的白云是大氣中的水滴組成的，這些水滴的線度比可見光的波長更大。當(dāng)各種波長的光波穿過水滴時(shí)，有幾乎相同強(qiáng)度的散射，因此人眼看上去感覺云朵是白色的。

清晨或傍晚，太陽看上去好似一個(gè)紅色的火球，是因?yàn)榇藭r(shí)太陽光幾乎平行于地平面，穿過的大氣層最厚，散射效應(yīng)最顯著。日光中的短波部分幾乎都側(cè)向散射，僅剩下波長較長的紅光部分到達(dá)地面，所以可以見到火紅的朝陽和夕陽。如果沒有大氣的散射，那我們在白天看到的天空將和晚上一樣，滿天星斗在黑色的背景上閃爍，唯一不同的是有一個(gè)十分明亮的太陽在黑色的背景上發(fā)出耀眼的光芒。在月球上觀察到的情況就是這樣的。

捉弄人的海市蜃樓——光的折射

你一定聽過這樣的故事：探險(xiǎn)隊(duì)迷失在一片沙漠中。突然，前方出現(xiàn)一片水源，水中蕩漾著沙丘的倒影。隊(duì)員們欣喜若狂，猶如抓住救命稻草般奔過去一看，卻什么都沒有。這其實(shí)是大自然變的“海市蜃樓”的魔術(shù)。沙漠里溫度高，越接近沙漠表面，空氣溫度越高，密度越小，折射率越低，形成了折射率成梯度變化的空氣層。從遠(yuǎn)處沙丘射向地面的光線，進(jìn)入折射率小的熱空氣層時(shí)被折射，入射角逐漸增大，行進(jìn)路線逐漸彎曲，最后入射角增大到臨界角時(shí)會(huì)發(fā)生全反射，相當(dāng)于鏡面反射效果。人們逆著反射光線看去，就會(huì)看到遠(yuǎn)處沙丘的倒影，仿佛從水面反射出來。而近處的沙丘射向地面的光線入射角小，最后無法滿足全反射條件而被沙漠所吸收，也就看不到沙丘的倒影，因此原本有水的假象在靠近后就消失了。探險(xiǎn)者們就這樣被大自然愚弄了。

彩虹·霓·佛光——光的折射與反射

“赤橙黃綠青藍(lán)紫，誰持彩練當(dāng)空舞？”這是毛主席對彩虹的夸贊。陣雨轉(zhuǎn)晴，天空中水汽未消，此時(shí)你往太陽相反的方向看過去，大自然仿佛給天空戴上了一個(gè)彩色的發(fā)卡，這就是彩虹。彩虹是由于太陽光線在大氣水滴表面的折射與反射產(chǎn)生的。光線照射到水滴后，在水滴表面會(huì)發(fā)生折射，各種顏色的光發(fā)生色散偏離，其中紫色光的偏離程度最大，紅色光的偏離最小，其他各色光則介乎于兩者之間。折射光線再經(jīng)過一次反射、一次折射到我們的眼里，我們就看到了七彩彩虹。若光線在雨點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生二次內(nèi)反射后再通過折射進(jìn)入我們眼簾時(shí)，顏色次序就與彩虹正好相反，稱為霓或副虹。

出現(xiàn)在山間云霧中的佛光也是由于陽光在云霧中的水滴內(nèi)折射和反射形成的。人們以為自己與佛有緣因而看到了佛光，沒想到這只是大自然施展的小戲法而已。

月華·日暈——光的衍射與折射

有時(shí)在夜晚賞月，漆黑夜空中明月仿佛穿上了五彩霓裳，非常美麗，這就是月華。由于云中分布著大量的微小水滴或冰晶，當(dāng)其直徑僅比光波波長大幾倍到十幾倍時(shí)，入射的日、月光在云中會(huì)發(fā)生衍射。衍射是波在遇到和波長尺度差別不大的障礙物后，偏離直線傳播的物理現(xiàn)象。不同波長的光由于衍射而分離，因而在日、月周圍可看到小的彩色光環(huán)。光圈內(nèi)環(huán)呈青藍(lán)色（紫色不太顯著），其外主要呈黃色，最外呈紅色，并且水滴愈小，衍射愈強(qiáng)，華環(huán)愈大。由于日光太亮，一般不易觀察到日華，月華比較常見。

若天空中有卷層云，陽光或月光透過云中的冰晶時(shí)發(fā)生折射，便會(huì)在太陽或月亮周圍產(chǎn)生彩色光環(huán)，這種七色彩環(huán)稱為日暈或月暈，統(tǒng)稱為暈。由于天空中存在大量卷層云，暈的出現(xiàn)預(yù)示著可能要刮風(fēng)下雨。古人已經(jīng)注意到這樣的聯(lián)系，“日暈三更雨，月暈午時(shí)風(fēng)”就是說的這個(gè)道理。

斑斕的動(dòng)物世界——孔雀羽毛

大自然表演的光學(xué)魔術(shù)不止前面所提的那些奇幻美麗的現(xiàn)象，動(dòng)物們也成功地運(yùn)用了光的魔術(shù)，紛紛披上五彩的外衣。孔雀開屏?xí)r，鮮艷的羽毛不禁讓人感嘆這個(gè)物種的美麗與高貴。如果你認(rèn)為孔雀羽毛上的色彩和一般紡織品、印刷品上的色彩是一樣的，那就大錯(cuò)特錯(cuò)了。我們平時(shí)看到的不同物體呈現(xiàn)不同的顏色，其原理大多都是“顏料生色”，是靠介質(zhì)表面的反射被動(dòng)發(fā)光，所呈現(xiàn)的顏色是光源的色環(huán)中某些相應(yīng)的顏色被顏料吸收后所剩余部分形成的，即減色法原理。而孔雀羽毛呈現(xiàn)繽紛的色彩源于“結(jié)構(gòu)生色”?？兹赣鹈挠鹦≈?nèi)排列著一層層蛋白纖維，這種極細(xì)的蛋白纖維直徑大小為150～160納米，這些纖維按照一定的周期性規(guī)律排列。正是這種納米級(jí)的微觀物理結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到光束照射時(shí)，會(huì)對光波形成良好的干涉和疊加，在不同的方向上反射出不同的顏色的光，不同的結(jié)構(gòu)也會(huì)使得反射光的顏色不一，這就使得本來無色的羽毛在光照下呈現(xiàn)出斑斕多姿的色彩。

這些美麗的光影出自大自然的魔術(shù)之手，是大自然贈(zèng)與我們的一份無比珍貴的禮物，它讓我們的世界奇幻美麗、繽紛多彩。