ทำไมรุ้งกินน้ำถึงเป็นเส้นโค้ง ทั้งที่แสงเดินทางเป็นเส้นตรง?

ทำไมรุ้งกินน้ำถึงเป็นเส้นโค้ง ทั้งที่แสงเดินทางเป็นเส้นตรง?

รุ้งกินน้ำเป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติที่หลายคนคุ้นเคย โดยเฉพาะหลังฝนตกเมื่อมีแสงแดดส่องผ่านละอองน้ำในอากาศ เรามักเห็นแถบสีสวยงามเรียงตัวเป็นรูปโค้งพาดผ่านท้องฟ้า จึงเกิดคำถามว่า ในเมื่อแสงเดินทางเป็นเส้นตรง เหตุใดรุ้งกินน้ำจึงไม่ได้เป็นเส้นตรงตามไปด้วย?

คำตอบคือ แสงเดินทางเป็นเส้นตรงได้ในตัวกลางที่สม่ำเสมอ แต่เมื่อแสงผ่านจากอากาศเข้าสู่น้ำ หรือออกจากน้ำสู่อากาศ ทิศทางของแสงจะเปลี่ยนไปได้ และสิ่งที่ทำให้เราเห็นรุ้งเป็นเส้นโค้งนั้นเกี่ยวข้องกับรูปทรงของหยดน้ำและมุมที่แสงเดินทางเข้าสู่ดวงตาของเรา

1. หยดน้ำทำหน้าที่คล้ายปริซึมขนาดเล็ก

แสงอาทิตย์ที่เรามองเห็นเป็นแสงสีขาว ซึ่งประกอบด้วยแสงหลายสี เมื่อแสงเข้าสู่หยดน้ำ แสงจะเกิดการหักเห จากนั้นบางส่วนสะท้อนภายในหยดน้ำ แล้วหักเหอีกครั้งเมื่อเดินทางออกมา

เนื่องจากแสงแต่ละสีหักเหไม่เท่ากัน แสงสีต่าง ๆ จึงแยกออกจากกัน เช่น สีแดง สีส้ม สีเหลือง สีเขียว สีน้ำเงิน และสีม่วง กระบวนการนี้เรียกว่า การกระจายแสง

หยดน้ำจึงทำหน้าที่คล้ายปริซึมแก้วขนาดเล็กจำนวนมหาศาลที่ลอยอยู่ในอากาศ

2. แล้วเหตุใดแสงจึงรวมกันเป็นเส้นโค้ง?

หัวใจสำคัญอยู่ที่มุมของแสงที่ออกจากหยดน้ำ

สำหรับรุ้งปฐมภูมิ หรือรุ้งตัวหลักที่เรามักเห็น แสงสีแดงจะเดินทางมาถึงดวงตาของผู้สังเกตจากหยดน้ำที่อยู่ในทิศทางประมาณ 42 องศาจากจุดตรงข้ามดวงอาทิตย์ ส่วนแสงสีม่วงจะอยู่ที่ประมาณ 40 องศา โดยค่ามุมเหล่านี้เป็นค่าโดยประมาณ

หยดน้ำแต่ละหยดจะส่งแสงสีที่เหมาะสมมายังดวงตาของเราในทิศทางที่แตกต่างกัน เมื่อมีหยดน้ำจำนวนมากเรียงอยู่ทั่วบริเวณท้องฟ้า แสงจากหยดน้ำที่อยู่ในทิศทางเหมาะสมจะทำให้เราเห็นเป็นแถบสีต่อเนื่องกัน

เนื่องจากหยดน้ำเหล่านี้กระจายตัวอยู่รอบแนวสายตาที่อยู่ตรงข้ามกับดวงอาทิตย์ แถบสีที่เราเห็นจึงมีลักษณะเป็นส่วนหนึ่งของวงกลม ไม่ใช่เส้นตรง

กล่าวง่าย ๆ คือ แสงแต่ละลำยังเดินทางเป็นเส้นตรงระหว่างการเดินทางในตัวกลางเดียวกัน แต่แสงจากหยดน้ำหลายหยดเดินทางมาถึงตาเราในทิศทางที่ต่างกัน จึงประกอบกันเป็นภาพโค้งของรุ้งกินน้ำ

3. จริง ๆ แล้วรุ้งกินน้ำเป็นวงกลม!

รุ้งกินน้ำไม่ได้มีรูปร่างเป็นครึ่งวงกลมเสมอไป แต่ในทางเรขาคณิต รุ้งปฐมภูมิมีลักษณะเป็นวงกลมเมื่อพิจารณาจากตำแหน่งของผู้สังเกตและแสงที่เหมาะสม

เหตุผลที่คนบนพื้นดินมักเห็นเพียงส่วนโค้งด้านบน เพราะพื้นดินบดบังส่วนล่างของวงกลมเอาไว้

หากอยู่บนเครื่องบินหรืออยู่ในตำแหน่งสูงที่เหมาะสม และมีละอองน้ำอยู่ด้านล่างด้วย ก็อาจมองเห็นรุ้งกินน้ำเป็นวงกลมเต็มวงได้

4. ทำไมบางครั้งจึงเห็นรุ้งสองตัว?

บางครั้งเราอาจเห็นรุ้งกินน้ำสองชั้น โดยรุ้งตัวที่สองอยู่ด้านนอกและมีสีจางกว่า

• รุ้งปฐมภูมิ: เกิดจากการสะท้อนภายในหยดน้ำหนึ่งครั้ง โดยทั่วไปสีแดงอยู่ด้านนอก ส่วนสีม่วงอยู่ด้านใน

• รุ้งทุติยภูมิ: เกิดจากการสะท้อนภายในหยดน้ำสองครั้ง จึงมีลำดับสีสลับกัน โดยสีแดงอยู่ด้านในและสีม่วงอยู่ด้านนอก อีกทั้งยังมีความสว่างน้อยกว่า

การสะท้อนภายในหยดน้ำที่ต่างกันทำให้แสงออกมาในมุมต่างกัน เราจึงเห็นรุ้งตัวที่สองอยู่เหนือรุ้งตัวแรก

สรุป

แม้แสงจะเดินทางเป็นเส้นตรงในตัวกลางที่สม่ำเสมอ แต่เมื่อผ่านหยดน้ำ แสงจะเกิดการหักเห การสะท้อน และการกระจายออกเป็นสีต่าง ๆ แสงจากหยดน้ำจำนวนมากที่เดินทางมาถึงดวงตาในมุมที่เหมาะสมจึงทำให้เราเห็นรุ้งเป็นเส้นโค้ง

ดังนั้น รุ้งกินน้ำจึงไม่ได้ขัดแย้งกับหลักการที่ว่าแสงเดินทางเป็นเส้นตรงเลย แต่เป็นผลจากการเดินทางของแสงและตำแหน่งของผู้สังเกตที่ทำงานร่วมกันอย่างน่าทึ่ง