色散现象

色散是复色光分解为单色而形成光谱的现象。导致色散的原因，可以是复色光在通过介质时，由于介质对不同频率的光具有不同的折射率，使得各种色光的传播方向有不同程度的偏折，从而在穿过介质后，形成光谱排列。也可以是复色光在通过光学系统时，由于衍射和干涉作用，使得复色光分解。色散现象甚为常见，古人对之多有记述和探讨。一般说来，他们记述下来的， 多属于大气光象和晶体色散的范围。

在古人观察到的色散现象中，虹是最常见的。据研究，早在殷代甲骨文中就有了虹的名称。《诗经·鄘风·蝃■》专门以虹为描写对象，其中提到， “朝■于西，崇朝其雨。”■，指虹；崇，此处同终。这句话意思是说，如果早晨在西方出现彩虹，那么下午就会下雨。这段话已经注意到了虹的出现与天气变化之关系，其描述也基本符合实际。

古人重视虹的出现，不仅仅是由于它与天气变化有关，更重要的是他们赋予虹很强的社会意义。例如，他们把社会风气的好坏与虹出现与否相联系， 同时，也用虹作为占卜素材来预言战争的胜负，等等。这些，虽然属于迷信的范围，但也促使古人更加重视对虹的观察研究，从而在客观上促进了古代有关虹的知识的不断增加。

古人在观察和研究虹的过程中，依据虹的颜色和形状对虹作了分类。蔡邕《月令章句》说：“虹，螮■也。阴阳交接之气，著于形色者也。雄曰虹， 雌曰蜺。”唐代孔颖达在疏解《礼记·月令》篇时，对这种分类有具体说明： “雄谓明盛者，雌谓暗微者。”可见，古人把虹分作两类，一类色彩鲜艳明亮，叫虹；另一类色彩较为暗淡，叫蜺。这种分类，在某种程度上与现代所说的主虹副虹相当。所谓主虹，是指阳光射入水滴后，经过一次反射和两次折射所形成的光谱排列，它的色彩鲜艳，色带排列外红内紫，这叫做虹。所谓副虹，也叫做霓，是由阳光射入水滴经两次折射和两次反射所致，其色带排列方式与主虹相反。因为多了一次反射，所以光带色彩不如主虹鲜明。主虹副虹可以分别出现，也可以同时出现。《月令章句》说：“螮■在于东， 蜺常在于旁”，就是指的二者并出的情况。由此可见，古人的这种分类方式， 是有其实实在在的观测内容的。

另外，有一种在雾上出现的虹，因为雾滴很小，所以虹色很淡，一般呈淡白色。古人把这也归类于蜺的范围。《说文解字》说：“霓，屈虹，青赤或白色，阴气也。”这里的定义，就包括了雾虹在内。

古人在观察中发现，虹的出现，需要一定的条件，而且必然是在与太阳相对的方位上。《礼记·月令》篇提到：季春之月，虹始见；孟冬之月，虹藏不见。这大致指明了虹出现的季节。《月令章句》的描写则更进了一步： 虹蜺“常依阴云而昼见于日冲，无云不见，大阴亦不见。”这一描写是正确的。

在对虹生成原因的认识上，古人有多种说法。例如，“庄子曰：阳炙阴为虹。”（《艺文类聚》卷二）这是用阴阳学说作解。对阴阳的理解不同， 对这句话含义也就有不同认识，但无论如何，它是古人对虹生成原因的探讨。还有古人认为虹是由其他天体转化而成的，例如，“《河图稽曜钩》曰：‘镇星散为虹蜺。’《春秋运斗枢》：‘枢星散为虹蜺’《尚书考灵曜》郑玄注曰：‘日旁气白者为虹。’”（《艺文类聚》卷二）这些，当然都不能成立。

经过长期探讨，到了唐代，人们对虹生成原因的认识有了巨大飞跃。唐初孔颖达为《礼记·月令》作疏时指出：“云薄漏日，日照雨滴则虹生。” 这一条描写十分正确：日光从云缝里透出，照射在雨滴上，就生成彩虹。这里特别提出雨滴来，而不是一般的雨或水汽，也表现了其认识的深化。到了8 世纪中叶，张志和在其《玄真子·涛之灵》中，除了指出“雨色映日而为虹”以外，还特别用模拟实验的方法来验证：

“背日喷乎水，成虹霓之状，而不可直者，齐乎影也。”

这里用实验方法，人为模拟了虹霓现象，直接揭示了虹霓的生成原因。在古人没有光的反射、折射及色散理论知识情况下，这是揭示虹生成原因的最佳方法。

《玄真子》提出的“而不可直者，齐乎影也”，具有深刻的科学内容。这是对虹呈现圆弧形原因的解说。“齐乎影也”，是指虹的色带每一点距观察者影子的方向都相等，要满足这一点，它只能呈圆弧形。这一说法是有道理的。在太阳光照射到雨滴上生成彩虹时，虹所在的平面与入射光垂直。换言之，太阳光的方向与虹圆弧的轴线平行。而人影子的方向也就是太阳光的投射方向，由此，《玄真子》的说法是成立的。

在西方近代科学传入中国之前，人们对虹的认识，以张志和最具代表性。之后，人们无非是进一步去重复这个实验，观察得更为细致而已。

造成色散的原因很多，例如日光照射晶体也能导致色散。这一现象，远在晋朝时就已经为人们所发现。例如葛洪《抱朴子·内篇》卷十一就记载了五种云母，说它们在太阳光线照射下可以看到各种颜色。到了宋代，有关发现和记载就更多，例如北宋杨亿的《杨文公说苑》里，记载峨嵋山的菩萨石， 说：“色莹白如玉，如上饶水晶之类，日射之，有五色。”这里所说的，实际就是天然晶体色散。但杨亿认为这种现象是由于峨嵋山有佛所致，则是错误的。南宋程大昌《演繁露》纠正了这一错误。程大昌认真观察了单个水滴的色散现象，体会到菩萨石的五色光形成原因与之是类似的，他说：

“凡雨初霁，或露之未晞，其余点缀于草木枝叶之末，欲坠不坠，则皆聚为圆点，光莹可喜。日光入之，五色俱足，闪烁不定，是乃日之光品著色于水，而非雨露有此五色也。⋯⋯此之五色，无日不能自见，则非因峨嵋有佛所致也。”

日之光品著色于水，是说五色光彩源于日光，这是在向揭示色散本质靠近。

由此将其与晶体色散相联系，认为二者本质上一致，这也有其合理成分。 对于晶体色散现象，古人记述很多，但限于古代科学发展水平的限制，

在对其本质的解说上，长期以来并未逾越《演繁露》的水平。

明代晚期，我国对于色散的研究，开始受到西学影响。传教士利玛窦来华，他所携带的物件中就有三棱镜，并用其作过色散表演。这比起我国古人用“背日喷水”模拟虹霓的实验，当然要先进些。因为它可以稳定实验条件， 控制实验过程，这有利于人们去探讨色散本质。即使如此，人们依然未能正确说明色散现象。例如传教士对色散现象的解释，就是从光所通过介质的厚薄立论的，这当然是错误的。

在前人探索的基础上，明末科学家方以智对古代色散知识作了总结性记载，他说：

“凡宝石面凸，则光成一条，有数棱则必有一面五色。如峨嵋放光石， 六面也；水晶压纸，三面也；烧料三面水晶，亦五色。峡日射飞泉成五色，人

于回墙间向日喷水，亦成五色。故知虹霓之彩、星月之晕、五色之云，皆同此理。”（《物理小识》卷八）

他全面罗列了各种色散现象，包括天然晶体、人造透明体及虹霓、日月晕等，

认为它们本质上相同。这种说法是有道理的，因为上述现象，今天看来都是白光的色散。

进入清代以后，人们对色散现象依然进行着探讨，有关色散的知识继续在积累，但对色散的解说仍然不大明白。一直到了 19 世纪中叶，张福僖翻译

《光论》，以光的折射、反射原理去说明色散，我国人民才正确掌握了有关色散的一些基本知识。