“奇光扭曲”现象.doc

我们时常会看到“奇光闪烁”的现象，比如一道雨后彩虹或者遥望梦幻般的海市蜃楼。所有这些神奇的现象都是光学效应，光路被“扭曲”了，产生了一些令人难以置信的图像。光学作为物理学的一个分支学科，主要研究光线在通过各种材料介质时所产生的不同行为方式，比如折射和反射。? ?? ?物理学家莱斯考利（Les Cowley）在十多年时间内收集到许多令人惊叹的光学奇观，在上个世纪70年代，莱斯考利在实验室外观看到漂亮的冰晕奇观，天空被微妙的弧线纵横交错形成蹼状，虽然莱斯考利当时还不知道这是什么现象，但从那以后便迷上了天空中各种光学现象。在1998年起着手建立“每日光学图片”，解释天空中各种神奇的光学现象。一段时间后，其他对天空光学奇观感兴趣的摄影师也陆续提交自己的作品。在这些天空光学图集中，我们可以看到一些最令人惊异的图像，以及引人注目的物理现象。? 一．漂亮的闪电光谱 (1/9) ? 二．腊肉片上的奇怪色块 (2/9) 很多光学现象来自于光线路径的扭曲，当光波被弯曲、透过一些材料介质或者在表面发生了散射，它们就会出现相互干涉。如果一个波峰遇到另一个波谷，那么两束光线干涉条纹就会出现暗纹，同理，波峰遇到波峰或者波谷遇到波谷，那么就会出现亮纹，这就会产生我们所能看到的亮点。如果有多个波长发生相互干涉，那么就会引起一些奇怪的现象了。这张照片显示的是一块腊牛肉，来自肉片上反射的光线明显会让人食欲不振。当我们切割动物的肌肉组织时，会产生一定间隔的团块，就想一层层楼梯那样，这样的布局就会形成衍射光栅。可能有些人对衍射光栅的概念还不太熟悉，最简单的例子便是光盘背面的情景，经常会看到彩虹的图案。另外，光线在腊肉表面反射后，就会与其他光线发生干涉，而形成奇怪的棱镜色彩。拍摄这张照片的摄影师为约翰福莱特（John Flyte），精选自2011年奇特的光学图集，当时约翰福莱特将刚购买回的牛肉切片，在制作三明治时发现了红色、粉红色、蓝色的色块，犹如彩虹般浮现于肉片之上，福莱特作为一位自然学科的老师，便立即意识到这是自然光线的扭曲现象。福莱特借此契机对彩虹、日晕等光学现象进行了大揭密，他时常提醒他的学生：科学无处不在。? 三．月晕：幻月环 (3/9) 在美丽的月亮周围会浮现一个巨大的圆圈状光环，该圆圈形成的原理与彩虹的机制相同，都是由空气中悬浮的冰晶引发的折射现象。它同时也有一个名称：幻月环（paraselenic circle），月光在透过高空云层时，遇到空气中冰晶而折射。一般情况下，这个圆圈非常巨大，只能看到其中的一块部分，但图中的月晕就是比较完整的，可以覆盖到整个天空。相似的现象也会发生在白天，也就是太阳的周围。在寒冷的冬天，空气温度较低时，天空也会浮现出巨大的“幻日圈”，将太阳包围。伊萨克·牛顿在1704发表的著名著作《光学》中描述了一束白光通过棱镜时所产生的彩色光线。当时这位著名的物理学家看到一束看似普通的光线变成耀眼的彩虹般颜色时，感到非常吃惊。虽然物理学家们在牛顿引领下在光学领域有了革命性的发现，但直到十九世纪八十年代，科学家们才了解到这些彩虹般的光线中所包含的信息。? 四．热带的“宁静彩虹” (4/9) 在热带，可以用风和日丽来形容出现“彩虹”的天气，图中的晴朗天空中浮现漂亮的“彩虹”情景都可以在巴布亚、印度尼西亚等热带国家的天空中观察到，天空观察爱好者将其形容为田园史诗般的景象。但是出现这类闪光的云层并不产生彩虹，当光线通过云层中微小的水分液滴时会出现“分裂”，就如同水流通过一个分水器。然后被分裂出来的光线随后会发现叠加和干涉，就是我们现在所看到的闪闪发光的“彩虹”图像，观察到这类的光学奇怪需要一定的运气。根据拍摄这张照片的摄影师斯科特·弗雷泽（Scott Frazier）介绍：当时我正在户外拍摄昆虫，天空突然变暗，在感觉到失望的同时抬头便发现了“宁静彩虹”奇观。同时这种神奇的光学现象也需要一个醒目的背景来衬托。? 五．高空中出现的神秘“彩虹戒指” (5/9) 当航班在高空中飞行时，某些时候我们可以透过窗外看到飞机倒映在云层的影子，这时就会发现一个完美的圆形彩虹环绕在飞机周围，这圈“彩虹戒指”被称为天空中神秘的光环。其发生原理是：当光环出现在飞机周围时，太阳光透过薄雾和云层被单个液滴分散，在物体周围形成阴影，通常这些阴影会被扭曲和放大，因此该现象也被称为“布罗肯光环”（ Brocken bow）。图中显示的“布罗肯光环”是由航天飞机上升段主燃料箱外壁上的实时监控相机拍摄，执行本次任务的是隶属于美国国家航空航天局的亚特兰蒂斯号航天飞机，时间为2011年7月8日。这个神秘的光环就跟随在航天飞机后面，大气层光学现象观察者拉斐尔施马尔（Rafael Schmall）在匈牙利观察到了航天飞机直播画面中的“布罗肯光环”。?