前几天，微信朋友圈被北京雨后的彩虹美图刷屏了。在大家都纷纷惊叹大自然的造化时，一位成年朋友抛出了一个好问题：彩虹为什么是弯弯的圆弧？
关于科学精神，为什么说是好问题呢？因为在科学上，提出问题有时比解释问题更重要。我们经常讨论什么是科学精神，如何提高国民的科学素质。其实，科学精神、科学素质就在我们身边，就在您好爱好爱的朋友圈。我们要做的，是去发现与呵护这种科学精神。
科学精神的一个重要特质，就是探索与功利的区隔。换句话说，科学精神就在于能够提出并探索那些看似没有用，打不出粮食换不来钱的问题，比如为什么彩虹是圆的。当然，我不是说与实际相结合的问题不是科学问题，关键在于，对自然界里的问题要有求索的渴望，而这种渴望不因功利的原因而衰落。
为什么强调提出好问题的是位成年朋友呢？人们常常有一个误解，认为科学普及的对象只是孩子，成年人不用再学习科学了。而实际情况是，在日新月异的今天，学习已经变成一件终生的事情，尤其是在科学知识方面，一天不学习，就赶不上《知识分子》的广大读者。在给孩子普及科学知识，不让孩子输在人生起跑线的同时，为人父母的我们可不要昏睡在人生道路的半途中。
所以，我们不仅要鼓励小孩子的好奇心、求知欲，也要鼓励和保护成年人那弥足珍贵的好奇心与求知欲。那么，应该如何呵护我们的好奇心和求知欲呢？我认为，最要紧的就是要打破砂锅问到底，不要简单地用“太阳光由七种颜色组成”这么一句话就把自己糊弄过去。
弄明白发生彩虹这件事既简单又困难，简单在于其原理确实不难，困难在于网上对彩虹原理的解释大多过于简练，开头即是结束。所以，我决定就此详细谈谈其中的物理知识，顺便澄清几个容易混淆的概念。
彩虹经常发生在雨过天晴之时，人们见到最多的是在东边下雨西边晴的傍晚。这时，太阳光从比较低的角度照到天空，照到悬浮在空气中的小水珠，正是这些小水珠，组成我们看到彩虹。我们先分析一下太阳照到一个小水珠时，光线是怎样发生折射反射的。
小水珠在空气中基本是个球形，它不管怎么翻过来滚过去，在空间中始终是个球形。在空间中，唯一一个特殊的方向是太阳光的照射方向。太阳光可以看成是平行光，因而这个方向对所有小水珠而言，都是固定的，不管小水珠处在什么随机的空间位置。
照射到小水珠上不同部位的太阳光会经历不同的折射与反射路径。这点很好理解，由于角的不同，角自然也会不同，它们之间遵从折射定律：sin(i)=1.33*sin(r)。
这里，1.33是水的折射率。为什么是1.33呢？入射角与折射角的正弦之比为光在空气中的速度与光在水中的速度之比，而光在水中的传播速度大概是空气中的75%，因此得到1.33这个约数。太阳光从空气进入水的时候，发生了第一次折射；光在水珠中继续前进，遇到水珠的后壁，这时，一部分光透出水珠，而另一部分，反射回到水珠内——这个反射，遵从反射定律，入射角等于反射角。
这里特别要提醒大家注意的是：光在这个点上的反射不是全反射，重复一遍：不是全反射。有的人随口在“反射”前面加个“全”字，这是不严谨的。回到穿过水珠的光线。经后壁反射之后的光线继续前进，来到水珠的边界，透到空气中一部分。在这个界面，光线被第二次折射。
我们通常看到的彩虹，就是太阳光经过这样两次折射、一次反射到达我们眼中的。我们把照到水珠上不同位置的光线画出来，能看出什么呢？首先看到的是，照射到不同位置的光线，其出射的角度严格说是不一样的。不过，这些不同角度的光线并不任意发散，而是似乎集中在某一个角度附近。这个角度在42度左右。
当我们把一粒水珠在太阳光中逐渐移开，使得我们的视线和太阳光之间的夹角逐渐增加时，我们首先看到水珠是昏暗的。当夹角接近42度时，水珠变成明亮的紫色。继续增加这个角度，水珠的颜色逐渐向红色方向变化。等超过了可见光的范围，水珠又会变成昏暗的。
现在，让我们来假设天空中布满了水珠，这时只有一部分水珠会把太阳光折射反射再折射到我们的眼中，根据水珠与太阳光以及我们眼睛的相对角度，每个水珠呈现出一种颜色。从图中可以看出，太阳光从左方照向右方。对于右边的水珠，凡是相对于观察者处于相同出射角，也就是说呈现相同颜色的，都处于同一个圆上（确切说是同一个锥面上）。这就是为什么彩虹看上去是圆的。
换句话说，我们看到的彩虹是许多的小水珠组成的，每个小水珠呈现不同的颜色，而不同颜色的小水珠排列在不同直径的同心圆上。另外，从地面看天空中的彩虹，它只是圆的一部分，也就是说是个弯弯的圆弧，但是如果我们飞在天上，我们完全可以看到一个完整的圆形彩虹，这种情形有时在飞机上可以看到。
我们前面谈到的光线路径是折射加一次反射再加折射。如果光线在第一次反射之后又经过第二次反射，情况又会怎样呢？这种情况下形成了我们常见的虹。而左上角显示的是两次折射加两次反射的光路，这种情况下也会形成一个圆弧形的彩色光环，这种光环叫做霓。霓的角直径大于虹，颜色分布与虹相反。霓的亮度往往比虹要暗，因而不一定每次出现虹的时候都能看到霓。
很多朋友看到彩虹，往往情不自禁地掏出手机来拍照，但又发现，用手机很难拍下完整的彩虹。我们通常手机的照相镜头，其最宽的拍摄角大约是60度左右，而彩虹的角直径大约是42度的两倍，即84度左右。所以，要想拍下完整的彩虹，通常要用专业相机换上广角镜头，或者利用手机全景拍摄功能。
人们有时把彩虹看成浪漫的象征，但是，您想过没有，当您和情侣一起看彩虹时，你们看到的并不是同一个彩虹。
准确地说，你们看到的彩虹是由不同的水珠组成的。其实，甚至连您的左眼和右眼各自看到的彩虹都不是相同的水珠组成的。当然，吐露真相并不是为了破坏欣赏风景的心情，只是希望您更加睿智地感受浪漫。想想看，大自然的规律让大小不一、位置随机、乱糟糟一团的水珠，对不同的观察者，呈现出颜色分布、角半径完全相同的彩虹，这不也是一种浪漫与美妙吗？
而这里谈到的自然规律，经常可以精练成一两个短短的看似枯燥的数学公式，这不是一种更深层次的美丽吗？这种科学的美丽并没有什么玄妙，只要大家多读科普，勤于思考，就一定能感受到。