发现世界丛书·简约物理(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：马丁玲等

出版社：上海辞书出版社

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发现世界丛书·简约物理试读：

世界亟待发现，发现改变世界。

人类虽是万物之灵，但对客观世界的了解，直至今天仍然有限，尚未发现的新规律和新事物还太多太多。而一旦发现了一条新规律、一个新事物，并合理地利用它们，世界的面貌就会有所改变，人类的生活就会更加幸福。

发现和发明的重要性，怎样强调也不过分。发现，是科学的华彩乐章，是科学的美妙景致，是科学中最振奋人心的一座座丰碑。科学工作者，包括我自己在内，当初选择这一职业，多因受到科学发现的巨大魅力的感召，和追求科学发现的巨大喜悦的诱导；不从事科学工作的人士，对科学的最直观印象，也是科学发现和发明带来的生活方式的变化。

亲爱的青少年读者们，科学的未来在你们身上，你们将来都有可能获得或大或小的发现，做出或大或小的发明！在此之前，除了在课堂上学习必要的科学知识外，再读一点有关前人如何获得发现、利用发现的故事，想必大有裨益，更充满乐趣。

由上海辞书出版社推出的“发现世界丛书”，为大家准备了数学、物理、化学、天文、生物、医学、军事、工程技术等学科中的大量发现故事。其中，有妙用无穷的《诡谲数学》，围绕着一些中小学的基本数学概念，谈文化，谈历史，谈生活，谈应用，谈思想，说明数学的思维方式在生活中无处不在，尤其是逻辑、概率、统计、博弈等数学分支中的发现，不仅实际应用广泛，而且对人们看问题的思路也会带来深刻的启迪；有“点石成金”的《惊奇化学》，涵盖早期化学发展历程、化学经典理论、化学新发现、人类健康与环境问题中的化学等四大主题，用全面真实的化学图景，激发读者对有趣又有用的化学的探究热情；有梦想成真的《发明奇观》，从众多的现代技术门类中，选取了十多个侧面，把这些技术诞生的情景真实再现给读者，说明技术绝非冷冰冰的，而是深度融入了现代人的生活，对人类更亲切，对环境更友善，通过展示技术的魅力，激发人们对技术科学的兴趣……所有这些，都能让读者领略到不同学科的发现之美。

当然，学科其实只是我们对知识的一种分类方式，它们的本质都是从不同的侧面揭示客观世界。因此，不同学科中的发现故事，都蕴含了类似的道理：面对大千世界，如何寻找发现的突破口；站在十字路口，如何确定发现的大方向；遇到重重障碍，如何走好发现的荆棘路；关乎芸芸众生，如何开掘发现的正能量。

我一向认为，科普固然要把科学道理说清楚，更重要的是，要传播科学思想，弘扬科学精神。时下，科普书种类繁多，令人目不暇接，它们都试图努力给读者的人生带来深远而积极的影响。本丛书是其中独具特色的一个范本：时尚的表述方式、有趣的科学故事、清晰的逻辑线条；从科学发现、技术发明，到如何促进人类文明、社会生活……都有准确的描述。

衷心希望广大青少年读者，以及中学教师朋友们，多提宝贵意见，以利科普作品水平的提高。褚君浩2013年7月尺有所短，寸有所长

在今天要知道长度、容积、重量的多少，只要用统一的、标准的度量衡器加以实际的度量、测定、计算就可以了。但是在不同的时空，度量衡器的标准却不一样，因此我们不能以古时的尺、石、斤、两、亩同今时来直接进行对比，也不能拿其他国家或地区的度量衡标准与我们国家的标准来比较。

例如，古时常说“男儿七尺之躯”，现在人身高五尺多已经不矮，这是古尺短、今尺长所致。又如，电视播音员在现场播报F1赛车车速的时候，有时会说车速达到200迈，“迈”是英文mile（英里）的汉语音译，是美国和其他英制国家使用的长度单位，美国的车速就是以英里／时计算的，区别于国内的千米／时。精确地讲1迈（英里）＝1.609千米，所以，如果说赛车时速200迈就是说已经达到321.8千米／时的时速，这是很惊人的。

因此，所谓的计量史实际上就是一部不断制订和统一度量衡标准的历史，从这个意义上来说，统一度量衡不仅是日常生活的常识所需，更是推进全球化、促进共同发展之所需。布手知尺

度量衡的产生和发展与人类的生产和交换活动密切相关。

在原始社会末期，随着畜牧业和农业的分离，劳动效率的提高，从事畜牧业的部落肉吃多了，想吃吃粮食，而从事农业的部落粮食吃多了，想要吃点肉。于是偶然的、在少数人之间的商品交换就发生了。可是这一块肉可以换多少粮食呢？两个部落的人不得不使用双方都认可的、能够接受的工具进行测量，以保证交换的量的适当比率。逐渐地，测量就成为了社会性活动，不久就有了计量的概念。因此，早期的度量衡器具，就是随着商品生产和交换的需要而产生的。并随之提出了一个计量单位的问题。

一个好的计量单位，必须满足三个条件，易于理解、与被测对象比例相配（例如，不能用英寸来描述两地之间的距离）、保持稳定。在有专门的测量工具之前，判断物体的长短、轻重和数量，只有依靠比较方便、随手可以使用的东西，比如人体的手脚，工具的桶、杯子等。这些计量单位很好地满足了这三个要求的前两个。它们大多来自于例如：希腊人从肘到指尖的腕尺，英国等欧洲国家以“脚”（foot）的长度为基本的长度度量单位。与其他国家一样，中国文化最初也是从人体的各种基本尺度中，取出各种长度度量单位。英制长度度量单位的来源

就“尺”的人体依据来说，寸口以上的尺骨，足以上的胫骨，以及指称手臂从肘到肩、或从肘到腕的“肱”，皆作为“尺”的度量依据，而被我们理解并约定为“一尺”的大概尺度。“丈”的人体依据，除了“舒臂为丈”外，男子的一般身高也谓之曰“丈”，俗称的“丈夫”即据此而命名的。我们甚至还将“寸”这种尺度标准命名为了人的身体部位，专指手腕横纹退后一寸之处的拇指侧动脉部位。

另外，在我国民间的日常生活中，历来有“几指雨”的说法，也就是农民用手指量度雨后湿土的做法；而“布手知尺”，亦即张开拇指与中指（或小指）的“拃手为尺”的长度测量法，“手捧成升”、“迈步定亩”等更是遍及我们生活中的许多地方。

虽然古人用人体作为计量工具使用起来很方便，但是不难发现，没有两只脚、两只桶、两个工作日是完全一样的。人们需要一只脚，这只脚既不是你的，也不是我的。用不同的人体尺度作为计量单位缺少客观性、公正性，不仅会引起纠纷，也无法解决大规模生产与标准化问题。

那么在未能产生统一的度量衡标准的情况下，拥有不同度量标准的部落之间是如何进行贸易的呢？简单地说，就是采取“事先讲好以何方为准，然后再议价”的方式，双方先定好测量工具和标准，然后再进行交易。

由此可见，社会创造了度量衡标准，同时度量衡标准也推动着社会的发展。它是人类长期交换的结果，并随着人类社会的发展不断变化和改进。它一次次地见证着人类社会是一个密不可分的整体，界定着我们对公平交易的认识。中国第一度“度量衡”是中国历史上特有的概念，有时也使用“度量权衡”、“度量”、“衡权”、“权度”、“计量”等名词。按字面上来解释，度为量长短的标准，量为计体积的标准，衡为计轻重的标准，在过去主要是指对长度、容量以及重量的测量，而“尺、斗、秤”则为人们印象中主要的度量衡器。然而，随着科技文明的发展，现今的“度量衡”量测范围已大为扩展，内容包含时间、电流、光强度等，实则囊括所有的计量。

中国古代计量的出现，可以追溯到四五千年以前的原始社会。女蜗氏手里拿着规、伏羲氏手里拿着矩的绘像是中国古代度量衡的渊源，而真正创造度量衡的年代，并具有一定规模是从黄帝时代开始的。清代用于校准的标准斗

据《大戴礼记》记载，黄帝“设五量”，即创立了权衡、斗斛、尺丈、里步、十百五个量。又据《尚书》记载，尧命羲、和二人参照日月、星辰制定历法，出现计量立法。

由上可见，古琴第一弦的黄钟不仅是乐律的起点，而且是古代度量衡的标准。故《史记·乐书》说“六律为万事根本。”而《后汉书》则直接称：“黄钟为万事根本”。

说到这里，让我们再来谈一谈，成为中国“第一度”的大禹。

大禹治水的故事，在中国流传了三四千年，大禹治水最大的功绩，是将泛滥不羁、危害百姓的洪水，变成可以浇灌农田造福人民的生命之水。那大禹治水为什么能成功？这主要归功于他测量了地势高低，从而得以疏通水道，引水入海。这有史书为证，《史记》说：“禹，左准绳，右规矩”、“身为度，称以出”。

规矩、准绳就是最古老的测量工具，“绳”测长短，“规”画圆，“矩”画方，同时测量离不开数和量，有了数量还必须要有统一的测量标准，当时到底是不是以禹的手、脚或身高定比标准，已无据可查了，但这个长度标准的定立，就是中国度量衡史上的“第一度”，为中国度量衡史写下了重重的一笔。

说到这里，大家又要疑惑了，大禹是如何用“矩”来定山川之高下、大地之远近的呢？中国古代的数学专著《周髀算经》开篇中假设了周公跟商高的一段问答，很好地回答了这个问题。古老的测量工具规矩与准绳

周公问商高：天没有台阶，人不可能登上去，地这么广大，不可能一点点去测量，那么测量的结果是怎样得出来呢？商高说：股在下，勾直立以测高，将矩倒立就可以测深，只要探索出直角三角形的性质，就可以摸索出对一些不可直接测量物进行测量的办法了。所以运用“矩”通过测算就可以把握万物数量的关系，这样就可以无所不为了。利用“弦图”进行间接测量

言归正传，大禹在治水过程中，在各个测量点竖立起刻画了一定数度的标杆，并利用直角三角形的特性进行计算，从而算出山川的高低、大地的远近。这种在高山河流处设置各种高程标志，就是今天大地测量技术中采用的标杆方法。“码”测重

以上这些传说和记载在一定程度上反映了上古时代计量的萌芽情况。到了商周时期，中国出现度量衡器制和计量年月日的历法，时至春秋，计量的发展更空前繁荣。

单以长度而论就有数种传世铜尺，如长沙楚国铜尺两边长度分别为22.7厘米和22.3厘米；安徽寿县楚铜尺长为22.5厘米；洛阳金村铜尺长22.1厘米。1尺的长度相差多达0.6厘米。在量制方面，各国的差异更大，齐国自田氏以来，实行以升、豆、登、种为单位，即“五升为豆，各自其五以登于釜，十釜为种”。而魏国则以益、斗、斛为单位。至于衡制方面则更加混乱，单位名称差别更大。楚国的衡器是天平砝码，以铢、两、斤为单位；赵国则以镒为单位；东周、西周以孚、匀为单位。一直到战国中晚期，随着各国间经济文化交流及战争兼并，各国的度量衡单位制才逐渐划一。乃同律度量衡

全国真正统一度量衡是在秦始皇统一全国后（前221年），当时秦始皇颁布“一法度衡石丈尺”的诏令，使长度、容积、重量都有了统一的标准。统一后，秦朝的度制以寸、尺、丈、引为单位，以十为进位制度；量制方面以龠、合、升、斗、桶（斛）为单位，也是十进制；衡制方面以铢、两、斤、钧、石为单位，进位是二十四铢为一两，一十六两为一斤，三十斤为一钧，四钧为一石。由于度量衡在使用中受到磨损，产生偏差，秦还明令规定：“仲秋之月，一度量，平权衡，正钧石，齐斗桶”，即每年都要对度量衡进行检验，校正。

中国古代历史文献中最早的“同律度量衡”记载在《尚书·虞书·舜典》中，据传虞舜“巡游天下，封禅於泰山”，经由“协齐月日”，得以“颁示历法，同律度量衡”。当然，舜的“同律度量衡”与秦始皇的“同律度量衡”是不同的。

在交通不便、缺乏可靠的“律准”制作技术的虞舜时代，期望部落首领大范围的颁发固态形式的“律准”，显然缺乏其现实性。但是，国家是可能找到一种“非固态形式”的“律法标准”，以便荒远地区的人民，都能极为方便地找到、并且制作出属于自己的、但却符合统一标准的各种“量具”。这个“量具”就是黄钟标准音。因此，舜的“同律度量衡”，是指在全国范围内统一用乐律标准音来规范度量衡制度。秦始皇和二世诏一斤铜权，重250克秦铁石权，权身镶嵌铜诏版，重32 500克

古琴第一弦（黄钟宫）丝数为9的乘方（81），而竹管黄钟的长度则是9寸（径三分），因此以黄钟定度量衡之法是：

度：黄钟之管长九寸，分作九十段，每段为一分，十分为寸，十寸为尺，十尺为丈，十丈为引。

量：黄钟之管长九寸，径三分，内空可容黍一千二百粒，名曰一龠，十龠为合，十合为升，十升为斗，十斗为斛。

衡：一黄钟管所容黍（一千二百粒）之重为十二铢（即一百粒黍之重为一铢），二黄钟管所容黍之重（二十四铢）为一两，十六两为斤，三十斤为钧，四钧为石。紫檀乾隆六年工部营造尺

度量衡是商品交换的必须工具，又与国家赋税收入有着直接的关系。虽然秦朝统一度量衡的目的在于保证政府的赋税收入，但它对消除各地割据势力的影响，以及促进经济发展、文化交流也起了重要作用。

秦代形成的统一的度量衡制度，在西汉得到继承和发展。而三国、两晋，以及南北朝时期，度量衡单位量值又开始经历激烈的变化。之后近1300年时间里，度量衡的修订和管理，在单位量制基本统一的基础上稳步发展，度量衡器具技术进步，种类增多，单位名称和进位关系进一步理顺。到清末光绪二十九年规定以尺、升、两为度量衡的基本单位，终于形成了中国独特的、统一的、科学的度量衡单位制体系。宣统元年（1909），国际权度局制造了营造尺和库平两铂铱合金原器各一件，开始用国际先进计量科学技术对中国古代度量衡进行改造。历经数千年的变革，中国计量不断发展，如今已趋于国际化。半斤等于八两吗

半斤八两是我们日常用语中经常出现的词，词典解释为：“半斤、八两轻重相等。比喻彼此不相上下，实力相当。”但半斤和八两差不少，怎么回事呢？按理说一斤是十两，半斤就是五两，怎么会和八两等同起来？这是因为在秦始皇统一度量衡制定斤两的时候，是十六进位制，当时的一斤等于十六两，所以半斤和八两是相等的。

关于秦朝制定斤两的十六进位制，还有个传说：秦始皇统一六国之后，负责制定度量衡标准的是丞相李斯。李斯很顺利地制定了钱币、长度等方面的标准，但在重量方面没了主意，他实在想不出到底要把多少两定为一斤才比较好，于是向秦始皇请示。秦始皇写下了四个字的批示：“天下公平”，算是给出了制定的标准，但并没有确切的数目。李斯为了避免以后在实行中出问题而遭到罪责，决定把“天下公平”这四个字的笔画数作为标准，于是定出了一斤等于十六两。谁知这一标准在此后2 000多年一直被沿用。李斯像

那时木杆秤，也叫十六金星秤，秤杆所用的木料是红木，秤星是由北斗七星、南斗六星和福禄寿三星组成十六两的秤星，秤星朝天，用银丝做成，寓意“天人合一，公平买卖”。告诫做买卖的人要诚实守信，不欺不瞒，否则，短一两损福，少二两失禄，缺三两折寿。现在很多城市都在讲幸福指数，其实老祖宗对幸福指数已经有了很好的定位，即长寿、富贵、康宁、好德、善终，浓缩了讲就是“福禄寿”。木杆秤从米制到反米制运动

18世纪，大革命前的法国，每一省、甚至每一个城镇各有自己度量事物的标准，并随着封建主的一时之兴而随意改变，当时形形色色的重量与尺度单位有25万种之多，完全阻碍了传播与商业活动。为此，人们对固定计量标准的呼声越来越高。

于是，来自希腊语、本意为“计量”的“米”被法国革命者引进法国，革命者们迫不急待地要用一套全新的通用单位取代波旁王朝的“突阿斯”（稍小于2米的一个长度单位）等老旧的计量单位。科学家认为可以以恒久不变的地球作为度量的基础，让“米”为世上所有人民平等共有。于是，他们把“米”的长度规定为经过巴黎的子午线长度的一定比例。

这条子午线长度的精确计量（以“突阿斯”为单位）是如何进行的呢？当时两位天文学家──德朗布尔和梅尚，奉法国科学院之命精确测量敦刻尔克至巴塞罗那之间的子午弧，并以此推测地球四分之一经线的长度，接着计算出千万分之一的“米”究竟是多长。于是，他们沿着法国的经线，一位从巴黎往北走，另一位往南行。但是，当时革命的局势仍未稳定，一般民众并不理解他们所做的事情，于是种种致命的阻碍让德朗布尔差点被送上断头台，让身处法西战争的梅尚被困在敌军战线内，本来预计几个月完成的测量持续了整整七年时间。七年后，他们才得以回到巴黎，并受到英雄式的欢迎。

法国的度量衡外交非常成功，在接下来的几十年里，公制逐渐取代了除少数几国外各地混乱不堪的计量体系。即使此前一直坚持使用英制的英国，最后也改用公制。1875年，英国的《科学》杂志将公制誉为“现代文明最伟大的胜利之一”。令人感到矛盾的是，此种盛况部分要归功于英国的对外扩张，在扩张过程中，它几乎消灭了各地的计量系统，创造了一个可用新架构进行填补的真空。

虽然取得了外交上的成功，但“米”却未能兑现它最初的承诺，因为将其与子午线或其他的自然基准进行绑定并不是件容易的事情。因此，20世纪60年代以前，还是要参照唯一的一个铂铱铸造模对这个计量单位进行规定。1983年，人们将它和一个基本的物理常数——光速联系起来，用更加稳定的表述来定义这个概念，规定光在1/299 792 458秒内运行的距离为1米。不过，当时计量学上对“秒”的定义也发生了很大的变化，不再是地球旋转一周耗用时间的1/24的1/60的1/60。现在1秒相当于铯-133原子发生9 192 631 770次微波跃迁现象所持续的时间。

步行1英里，找个酒吧喝上1品脱啤酒。在米制流行的今天，英国人却为自己争取到一项权利，那就是继续使用繁琐的英制度量衡。

实际上，欧洲共同体（欧盟的前身）成员国早在1979年就通过指令，要求统一采用国际单位制米制，以扫除内部共同市场建设过程中因计量单位差异而产生的障碍。根据这项指令，英国和爱尔兰应在2009年年底以前逐步淘汰传统的英制度量衡，改用米制。没想到，这为英国的欧盟怀疑论者提供了口实。在英国媒体的助威声中，一场打着捍卫传统旗号的“反米制运动”在英国轰轰烈烈地展开了。

这场运动因一名菜贩的“牺牲”而步入高潮。2001年，家住英格兰北部森德兰的索伯恩因为在销售蔬菜水果时依然使用英镑和盎司作为计价单位，而被没收了他做生意用的非米制秤，并被当地法院判定违法。索伯恩随后向欧洲人权法院提起上诉。2004年，在获知上诉请求被驳回的数天后，索伯恩因心脏病突发死亡，年仅39岁。由此，索伯恩被冠以“米制牺牲品”的称呼，成为“反米制运动”的象征。

在英国舆论的强大攻势下，欧盟委员会对英国和爱尔兰网开一面，允许英国和爱尔兰在有限范围内无限期使用品脱、英里、盎司等英制度量衡单位，以尊重这两个成员国的文化传统。也就是说，英国和爱尔兰将得以继续使用品脱来计量瓶装牛奶、桶装啤酒和桶装苹果酒，在道路及限速标志中使用英里、码、英尺和英寸，在贵金属交易中使用盎司单位。当然除此以外的商品交易则必须使用米制单位，但商贩仍可以用英制单位来辅助标明价格。

最近，欧盟又决定，英国必须跟欧盟国家一致，使用重量卖食物，早年英国人买鸡蛋跟在中国一样都是论斤买的，挑好了装进纸袋带回家。20世纪20年代时，商家为了多卖鸡蛋，设计了一种12个装的蛋盒，买鸡蛋不是一次买12个就是要买24个，多了少了都买不到。12跟英国人习惯的1英尺等于12英寸，1先令等于12便士一样都是十二进位，所以顾客们也就逆来顺受了。欧盟以前让英国人继续用他们的“打”或是“条”卖鸡蛋、卖面包。不过，现在他们决定让英国融入欧盟，所有食物都以重量标示。英国当然很不满，不过，不知道他们还能抗拒多久。英国用了一百年的“打”这个单位也许不得不走进历史。坠落火星的使者

对古人来说，计量单位首先要方便使用，因此他们给我们留下了无数日常计量单位，把过去和现今存在的一切计量标准列出来可达数百页。而我们则根据不同情况使用这些单位以求得方便。

当交流、贸易等在本地发生，且只是简单的事务时，所有这些计量办法是完全令人满意的。但是当交通工具发达、国际交流频繁、全球化成为未来时，由于各国之间对量的计量是不同的，所以需要进行计量单位的换算。

计量单位的换算事实上是非常麻烦的，尤其随着国际贸易、国际旅行等活动的普及，如果能完全统一度量衡，那么在节省人力方面的巨大作用甚至超过蒸汽机。然而，由于度量衡制度变革的不彻底，许多问题不断出现，甚至还导致了1999年美国火星探测器发射的重大失败。

1999年9月的最后一个星期，美国国家航空航天局（NASA）对新闻媒体发布一个重大报道：火星气候探测器按设计掠过火星的上部大气层，并将发回有关火星大气层和气候的重要数据，然而，它刚刚坠毁并掉到火星表面。在报道里NASA是这样说的：火星气候轨道器“设计用于研究火星气候和气象的宇宙飞船——火星气候轨道器，于1998年12月11日，从佛罗里达州卡纳维拉角的航空站用德耳塔火箭发射升空。在向火星巡航约九个半月之后，宇宙飞船点燃主引擎于1999年9月23日太平洋夏季时间上午约2时进入环绕火星的轨道。5分钟后进入计划的16分钟的加力阶段，宇宙飞船从地球上看经过了火星的背后。预期在上午约2时26分重获的信号并没有出现。努力寻找火星气候轨道飞行器并与它们联系的工作持续到1999年9月24日下午3时不得不选择放弃。”

当时，飞船离火星表面的距离比航天地面控制中心人员设想的高度低60英里（96.6千米），1.25亿美元就此消失，成为红色火星的尘埃。NASA的这次失败是够惨的，但是当他们发现失败的原因时就像哑巴吃了黄连。事故调查报告称：火星气候轨道飞行器事故调查委员会已确认，火星气候轨道器飞船失败的根本原因是用错了度量单位。

这是怎么回事情呢？

原来洛克希德—马丁公司是负责宇宙飞船日常的运转，它向航天地面指挥中心送出的有关助推器的数据采用英制单位：英里、英尺和磅，而NASA却以为他们接收到的指令是米制单位。英里和千米的差别足以使飞船偏离60英里，进入自杀性的轨道，落到火星表面。

这个失败的例子告诉我们：一旦着手做国际合作的技术项目时，就会产生与利益攸关的问题。精确的工程需要在准确的标准之间进行相互比较。告诉世界另一边的合作者，需要一个航空器部件，其长度正好是1米，可是如何知道他们的米与我们的米一样长呢？美国那坠落火星的使者是不是在提醒我们，统一度量衡的重大意义。国际单位制

第二次世界大战之后，出现了进一步加强国际合作的趋势，迫切要求改进计量单位和单位制的统一。在此之前，多种单位制并存的局面使得各国科技人员伤透了脑筋，贻误了许多工作。

1948年，第九届国际计量大会要求国际计量委员会在科学技术领域开展国际征询，并对上述情况进行研究。在此基础上，1954年，第十届国际计量大会决定将实用单位制扩大为六个基本单位，即米、千克、秒、安培、开尔文和坎德拉，其中开尔文是绝对温度单位，坎德拉是发光强度单位。

1960年，第11届国际计量大会决定将以六个基本单位为基础的单位制命名为国际单位制，以SI表示，并推荐各国采用。1971年，第14届国际计量大会增补了一个基本量和单位，这就是“物质的量”及其单位——摩尔，定义为：摩尔是一系统的物质的量，该系统中所包含的基本单元数与0.012千克碳-12的原子数相等。

目前，国际单位制中，有七个基础单位和七个有定义值的基础常数，并被应用于世界各地。从官方角度而言，除美国、缅甸及利比里亚未主要采用国际单位制外，其他国家均以国际单位制作为主要的度量衡系统。这其中包括绝大多数前英制国家，例如英国、加拿大、澳大利亚等英联邦国家，它们均在20世纪后半叶进行了向国际单位制的转换。

在1960年重新定义米后，基础单位中只有千克是利用特定的原器（国际千克原器）来定义的。但在1996年至1998年重新校正原器时，发现几个国际千克原器之间质量出现了差异。于是，在2007年第23届国际度量衡大会时，大会要求国际度量衡委员会以自然界的物理常数来定义基础单位，而不再使用特定的原器。2010年，单位咨询委员会向国际度量衡委员会提出了国际单位制的修正草案：“除了光速之外，另外四个自然界的常数——普朗克常数、基本电荷、玻耳兹曼常量、阿伏伽德罗常量都会有其定义值。不再使用国际千克原器。调整千克、安培、热力学温标及摩尔的定义。精简所有基本单位的定义文字。”

虽然之后国际度量衡委员会认为条件尚未完全达成，不建议国际度量衡局在此时提出国际单位制的修改案。但他们也表达了下一届国际度量衡大会可以原则性地同意新国际单位制。侧耳倾听

声音是最常见的物理现象之一，是我们熟悉的一种能量形式，我们吹口琴或踏风琴，发出声音，我们拍手会发出声音，我们说话会发出声音，我们生活的世界是一个喧嚣的世界，声音无处不在。

但是发出声音的物体在哪里，我们却时常弄错，尤其是当声源是在我们正前方或者正后方的时候，我们就很难分辨声音发出的正确位置，因此，如果我们想要弄清楚远方传来的声音是用什么方法发出的，千万不要把面孔正对声音，而是要相反的，把脸孔侧对声音，这样，一个耳朵就可以正对声音，我们平时所说的“侧耳倾听”就是这个道理。

很早以前人类就知道声音是由于物体的振动而发生的，物体振动才能发声。当我们说话的时候，喉咙中声带的振动导致空气分子随之振动，由此发送出一系列声波，到达某个人的耳朵，并且引起这个人耳鼓中的振动为止。利用振动的空气分子，少许能量从一个人的喉咙到达了某个人的耳朵。

事实上，关于声音有许多有趣的历史和秘密，下面就让我们一起去探索吧。从玻意耳的空气泵谈起

在17世纪的英国，人们对声音的传播是有争论的。声音必须靠空气传播吗？

如果在真空中产生一个声音，它能在真空中传播吗？最先解答这个问题的是17世纪英国科学家玻意耳。

玻意耳1627年1月25日生于爱尔兰的利斯莫尔。青少年时期的玻意耳十分钦佩意大利著名科学家伽利略，决心像伽利略那样：不迷信权威，勇于开创科学实验的道路。1641年，他到意大利学习伽利略的著作，不过可惜的是他到意大利不久，伽利略就逝世了。但是伽利略叙述的哥白尼体系、新力学、研究自然的新途径和科学实验，都深深印刻在他的心中。他相信：客观的观察与在控制的条件下进行实验的重要性。

于是，玻意耳想，如果能制造一个真空的环境，就可以设计出一个实验来验证声音是不是靠空气传播的？但是怎么才能制造一个真空环境呢？德国人盖立克新发明的空气泵引起了玻意耳的注意，在助手胡克的帮助下，他研究和改进了空气泵，改进后的空气泵很像现在自行车上用的打气筒，不过它有一个相反的阀，不是打进空气，而是把空气抽出来。这种手动装置今天看来十分简单，那时却是一个了不起的发明。利用空气泵，玻意耳设计出了一个实验：玻意耳研究声音传播用的空气泵

首先用绳子把钟吊在密闭容器的中间，这时候容器里有空气，人们在容器旁边能听到钟的嘀嗒声。这说明声音能传到外面。然后，利用真空泵从容器中抽出空气。当空气一点点往外抽时，钟的嘀嗒声越来越小，很快就听不到了。当他再把空气逐渐推入容器时，声音又由无到有，由小到大，响了起来。

这个实验告诉我们，空气是传声的媒质，在真空中声音是没办法传播的。

的确，空中轰隆隆的雷声、远处火车的鸣笛声、山谷里哗哗的松涛声，以及课堂上老师的讲课声，都是通过空气传到我们的耳朵里来的。月亮上没有空气，不能传播声音，如果你在月亮上向对面的朋友喊话，就像演无声电影一样，不会发出一点声响，所以在月亮上即使面对面，也需要用无线电话来对话。

声音是以物体振动发声的并以声波的形式进行传播的，发声的物体（称为声源）发生了振动，这个振动就会推动它附近的空气，使声源附近的空气也发生相应的振动，声源附近空气的振动又推动离声源稍远一些的空气，使稍远的空气也振动起来，这个振动又推动更远一些的空气，就这样，振动逐渐向外传播，声音就这样传播出去了。振动的传播叫做波，声振动的传播就叫做“声波”。我们说的话本身就具有不同的波动频率。

液体是很好的传声媒质。我们知道钓鱼的时候要保持安静，否则鱼儿通过水听到岸上响动就会逃走。渔民常把耳朵贴在船底或船侧板上听大黄鱼发出的“咕咕”声来判定捕捞位置，再用木棍敲打船板发出声音，把鱼群驱赶到一定的方向去。如果把半吨的大钟放入水中敲响，钟声在水中竟能传到35千米远处！

人们发现：在水中进行观察和测量，得天独厚的只有声波。这是由于其他探测手段的作用距离都很短，光在水中的穿透能力很有限，即使在最清澈的海水中，人们也只能看到十几米到几十米内的物体；电磁波在水中也衰减太快，而且波长越短，损失越大，即使用大功率的低频电磁波，也只能传播几十米。然而，声波在水中传播的衰减就小得多，在深海中爆炸一个几千克的炸弹，在两万千米外还可以收到信号，低频的声波还可以穿透海底几千米的地层，并且得到地层中的信息。在水中进行测量和观察，至今还没有发现比声波更有效的手段。

第一次世界大战期间，法国物理学家朗之万用压电效应激发的石英板，在水下成功地发射了声波，并接收到了海底的回声，研制出第一台水声设备——测深仪。以后，根据这种原理制造出一种叫“声呐”的设备，可用来发现海面下的潜水艇、礁石及其他水下目标。声呐工作示意图

当然除了液体，固体也是可以传播声音的。

我们伏在铁轨上，会听到远处火车行驶的声音，这是从铁轨上传来的，它比从空气中传来的要快。火车和汽车司机常把金属棒的一端放在发动机的各个部位上，另一端靠近耳朵，利用金属棒良好的传声特性，倾听机器内部机件的运转声，判断机器运转是否正常。巡道工人正通过听铁轨了解列车运营情况

很早以前，人们就已知道土地是声音的良导体。2 000多年前我国哲学家墨子在其著作中就已谈到土地传声：在坑中埋放一个容量约为四十斗的大腹小口的坛子，让听觉灵敏的人伏在坛口上倾听，可以找出敌人在什么方位挖地道。

俄国作家卡兰金在他的《俄国史》中也曾写道：“在库里可夫斯基战役前，王子基米特立·顿斯克曾亲自到战地去侦察，他把耳朵贴近土地，就听到了奔过来的哥萨克马队的马蹄声。”

由此可见，气体、液体、固体都可以传播声音。通过声接收器接听电话

但是，我们也注意到，这里传播的是一种运动，即声振动，而传声的媒质并没有随着声波前进。火车运行的声音振动由铁轨传来，而火车下面那部分铁轨却并没有跑到听者耳朵边来。接收声音还必须有声接收器，如耳麦等，振动物体、介质、声接收器三者是接收到声音缺一不可的条件。声音跑得有多快

声音传播需要时间，人们很早就在生活中发现了。例如：如果你参加一个运动会，坐在离鸣枪的人有一段距离的地方，你会先看到枪冒烟，后听到枪声。这是因为光行进的速度非常快，而声音的速度就慢得多。所以你会立刻看到枪冒烟，但声音要过一会儿之后才会听到。因此，早期就是利用这个原理来测量声音的速度的。

历史上第一次测得声音的速度是在300多年前。

1708年的一天，有一个叫德罕姆的英国人，站在一座教堂的顶楼上，注视着19千米外正在发射的大炮。他注意到，大炮发出闪光后总是要过一会儿才能听到轰隆的炮声。于是他测量大炮发出闪光后到听见轰隆声之间的时间，经过多次测量后取平均值，得到与现在相当接近的声速数据，即：20℃时，声音在空气中每秒可跑343米。

事实上，声音不同的介质中传播速度不同。介质密度愈大，则声速愈快。声音在水中的传播速度约为空气中的5倍，在钢中则约为空气中的20倍。因为液体、固体的分子排列得较紧密，因此传递声音的速度都比空气来得快。

第一次测量声音在水中的传播速度的是物理学家科拉顿。1826年9月，在日内瓦湖，科拉顿和他的助手分别坐在两条船上，两船相距13 847米。一条船上的助手用链条把一口钟吊入水中，当钟敲响时，船上的火药同时引爆发光，在另一条船上的科拉顿，一手握着一个他自己设计的喇叭形水下声波接收器，一手持着秒表，他看到火药发光后开始计时，听到水下钟声停止计时。因为光通过这段距离的时间是微不足道的，所以这段时间可以看作是声音在水中的传播时间。实验结束后，科拉顿撰写并发表了一篇论文，宣布了实验结果：水中声速为1 435米／秒（水温8.1℃）。此值与现代测量值十分接近。现代研究和测量表明：水中声速是随水温、盐度和压强而变化的。测定水中声速示意图

金属中的铍是传声的能手，在用铍做的棒内，声速达到12 890米／秒，是空气中声速的38倍。而软橡胶富有弹性，声波在里边走不动，速度竟然只有30～50米／秒，远不如在空气中跑得快。

第一次测定铸铁的声速是在巴黎用下列方法进行的：在铸铁管的一端敲一下钟，在管的另一端听到两次响声，第一声是由铸铁传出来的，第二声是由空气传出来的。管长为931米，两次响声间隔2.5秒，如果当时空气中的声速时340米／秒，则可得出声在铸铁中传播的速度约为3 900米／秒。

其实，声音不光会跑，还会跳。1921年5月9日，莫斯科近郊发生了一次大爆炸。据调查，在半径70千米范围内，人们清清楚楚地听到了“轰隆轰隆”的爆炸声；但是从半径70千米到160千米的范围内，人们却什么也没有听到。奇怪的是，从半径160千米以外一直到半径300千米的远方，人们又听到了爆炸的轰鸣声。

这真是怪事。声音怎么会“跳”过中间这片地区呢？

后来，物理学家发现，声音有一种“怪癖”，它在空气中爱拣温度低、密度大的道路走。遇到温度高、密度小的空气，声音便会向上拐弯到温度较低的空气中去。如果某一个地区地面附近的气温变化比较复杂，温度高低不一，声音经过的时候，一会儿拐到高空，一会儿又往下拐，这样上上下下，就形成了上面所说的那种声音“跳”动的现象。“最不靠谱”的声音

每一部伟大的电影都必有令人难忘的背景配乐，就好像每一碗好吃的泡面必有美味的调料包一样，比如说《泰坦尼克》、《珍珠港》等电影的成功就离不开优秀的背景乐，电影场景与音乐相辅相成，互相衬托。那么优秀的背景配乐该具备什么特性呢？加州大学的生物学家发现，优秀的背景配乐与动物惊恐时发出的声音十分相似。

这也许吓了你一跳，没错，肯定吓你一跳，因为连研究者都被吓了一跳，这个结论看上去是那么地不靠谱，但实验数据给出的结果却很靠谱地告诉我们，这是真的。研究者对不同电影类型的背景配乐进行了研究，包括战争片、动作片、恐怖片以及旧式的话剧，他们仔细分析了背景音乐的声音模式，最后还把结论发表在一个很靠谱的专业期刊《生物学通讯》（Biology Letters）上。

也许这个活应该由物理学家来干，不过爱跨界的生物学家不甘落后，用研究生物声学的方法来研究电影背景音乐，将音乐与动物交流时发出的声音进行对比发现，电影音乐是一种“非线性发声”。“非线性发声”用生物声学里的专业术语可以描述它的特性：噪声、确定性混沌、边带、次谐波，突发幅度和频率转换，这些特点与动物受到惊吓时发出的尖叫声的生物学特性一样。受到惊吓的动物发出尖叫声

从非技术水平上分析，这些嘶哑的有些难以预料的声音可以更快地吸引听众。加州大学洛杉矶分校的生物学家们假设，电影音乐作曲者和音频工程师可以利用这一特征作出更好的曲子或是音频来吸引观众，尤其是操纵观众进入电影情绪。

为了验证他们的假设，研究小组从互联网的电影网站上下载了102部经典电影音频，然后将这些拷贝放入康奈尔大学著名的鸟类生物声学实验室进行分析。102部经典电影配乐表现出波动幅度大、频率波段变化频繁等特征，这与动物在惊恐时发出的警报何其相似，电影以此吸引关注，动物以此呼救吸引同伴，殊途同归。电影《猫鼬大宅门》里猫鼬的声音就有这些特征，据说受到很多观众的喜爱。

科学家们发现，作曲家和音频工程师模拟非线性发声并非偶然，而是专门利用这一技术为电影谱曲以吸引观众的注意力，用以打动观众。比如电吉他发出频率变化很快的音频就是非线性发声。当然，如果能直接从自然界获得非线性发声就更妙了，别以为没有，电影《金刚》里的咆哮声就是真实猩猩的非线性发声。如果不能从自然界获得，后天的努力也可以有所作为，著名导演希区柯克的惊悚片《鸟》里所有鸟类的发声全用电子乐器制作，其逼真程度使很多观众难辨真假。希区柯克共鸣

小朋友常常喜欢将海螺扣在耳畔，因为大人告诉他，那样就能听到海风的声音。没错，这样做确实可以听到海风轻拂的声音，至少在听觉上能够给人以身临大海的感觉。

不过，从海螺壳中传来的声音并非海风声，而是海螺壳内的空气受到外界声音的影响而发生的共鸣现象。当发声器件的频率与外来声音的频率相同时，它将由于共振作用而发声，这种声学中的共振现象就是所谓的“共鸣”。海螺壳的“共鸣”似海风轻拂声鹦鹉螺壳造型的音箱

脚步声、风声、流水声，在我们周遭的世界，每时每刻都充满着声音，这些声音拥有各种各样的频率，如果海螺壳内空气的发声频率和某一种声音发生共振，那么声音强度就会大大加强，传播到我们的耳朵中，就好似一阵风声。

事实上，在日常生活中，海螺壳效应比比皆是。将暖水瓶的瓶口对着耳朵，你也可以听到“嗡嗡”的“风声”，不过，即使暖水瓶真空保暖层破损，依然会有声音，所以广为流传的“听声选暖瓶”的方法是不科学的。另外，在夏日里，小小的蟋蟀、蟾蜍和蝉能够发出很大的声音，也是利用了共鸣的原理。

值得一提的是，海螺壳的回形结构据说是最完美的共鸣腔，著名音响制造商Bower & Wikins出品的一款经典音箱就是参照鹦鹉螺壳的结构设计的。谁是凶手

1890年，一艘名叫“马尔波罗号”的帆船在从新西兰驶往英国的途中，突然神秘地失踪了。20年后，人们在火地岛海岸边发现了它，奇怪的是：船上的一切都原封未动，完好如初，船长航海日记的字迹仍然依稀可辨；就连那些死已多年的船员，也都“各在其位”，保持着当年在岗时的“姿势”。

同样的事情，在1948年初再次发生，一艘荷兰货船在通过马六甲海峡时，一场强风暴过后，全船海员莫名其妙地死亡。

是谁杀死了他们？这个问题引起了科学家们的普遍关注，其中不少人还对船员的遇难原因进行了长期的研究。

船员们是怎么死的？是死于天火或是雷击？船上没有丝毫燃烧的痕迹；是死于海盗的刀下？遇难者遗骸上看不到死前打斗的迹象；是死于饥渴？船上当时贮存有足够的食物和淡水。

在对上述死者进行仔细检查后发现：在所有遇难者身上，都没有找到任何伤痕，也不存在中毒迹象。那么，是一类心脑血管疾病的突然发作致死的吗？全船人同时发病的可能性接近于零，且事后的尸体解剖报告表明，死者生前个个都很健壮！

经过反复调查，科学家们终于抓到了制造上述惨案的“凶手”——次声波。

次声波是一种每秒钟振动数很少、人耳听不到的声波。次声波频率很低，一般均在20赫以下，波长却很长，传播距离也很远，比一般的声波、光波和无线电波都要传得远。例如，频率低于1赫的次声波，可以传到几千以至上万千米以外的地方。1960年，南美洲的智利发生大地震，地震产生的次声波传遍了全世界的每一个角落；1961年，苏联在北极圈内进行了一次核爆炸，产生的次声波竟绕地球转了5圈之后才消失。

此外，次声波具有极强的穿透力，不仅可以穿透大气、海水、土壤，而且还能穿透坚固的钢筋水泥构成的建筑物，甚至连坦克、军舰、潜艇和飞机都不在话下。次声穿透人体时，不仅能使人头晕、烦躁、耳鸣、恶心、心悸、视物模糊、吞咽困难、胃痛、肝功能失调、四肢麻木，而且还可能破坏大脑神经系统，造成大脑组织的重大损伤。次声波对心脏影响最为严重，最终可导致死亡。

为什么次声波能致人于死地呢？

原来，人体内脏固有的振动频率和次声频率相近似（0.01～20赫），倘若外来的次声频率与人体内脏的振动频率相近，就会引起人体内脏的“共振”，从而使人产生头晕、烦躁、耳鸣、恶心等一系列症状。特别是当人的腹腔、胸腔等固有的振动频率与外来次声频率一致时，更易引起人体内脏的共振，使人内脏受损而丧命。

在“马尔波罗号”惨案中，就是因为货船在行驶途中恰遇海上起了风暴，风暴与海浪摩擦，产生了次声波。次声波使人的内脏剧烈抖动、狂跳，以致血管破裂，最后促使死亡。

次声虽然无形，但火山爆发、龙卷风、雷暴、台风等许多灾害性事件发生前都会产生次声波，因此人们就可以利用这种前兆来预报灾害事件的发生。在军事上，也可利用核试验、火箭运行等产生的次声波获得相关的数据。用声音的速度走路

假如你用声音的速度离开一个正在演奏音乐的大厅，你会听到些什么呢？

我们来做一个假想实验：坐着长途火车从甲地出发的人，在沿路所有车站上，会看到卖报人手里拿着的甲地报纸都是同一天的——也就是他出发那天出版的报纸。这很好理解，因为这一天的报纸是同旅客一起出发的，后来新出的报纸只能乘后来的火车出发。由此也就可以推论到：用声音的速度离开音乐厅的时候，我们会在全部时间里听到同一个声音，也就是我们出发时候在音乐厅上听到的那个声音。

先不要急于下结论，这个推论是不正确的。因为如果你用声音的速度离开，那末声波对你来说是不动的，它根本不能振动你的耳膜，因此你也就不能听到任何声音。你会认为音乐厅已经停止演奏了。那末同报纸来比较，为什么会使我们得到不同的答案呢？那只是因为我们在这件事里用错了类比法。到处遇到拿同一天报纸的人，如果忘记了自己是在前进的话，那他就一定会认为，甲地的报纸从他出发那一天起，已经停刊了。对于他，报纸好像是已经停刊，正像对于一个运动着的听者，音乐已经停奏了一样。有趣的是，这个问题虽然并不太复杂，可是有时候连科学家也会被它弄糊涂。

曾经有天文学家认为，我们用声音的速度离开的时候，我们应当永远听到同一个声音。设想有一个某一定高度的声音在响着。它过去是用这个声音在响着，将来这个声音也要无穷尽地响下去。排列在空间里的许多观察者一定能顺序地听到这声音，并且假定这声音并不减弱，那末如果我们用声音的速度或者甚至用思想的速度，来到任何一位这种观察者的地方，为什么就不能听到它呢？

一个用光的速度离开闪电的观察者，会在全部时间里不断地看见这个闪电。设想在空间连续地排列着许多眼睛。每一只眼睛都要接着前面的一只眼睛收到光的印象。再设想你能理想地并且顺序地来到每一个这种眼睛所在的地方。那就很显然，你在全部时间里，都会看见闪电。

当然这些说法都是不对的：在上面说的条件下，我们是听不到声音也看不见闪电的。听不见的声音和看得见的声音

有些人听不见像蟋蟀的鸣声或蝙蝠的吱吱声那样尖锐的声音。这些人的耳朵并不聋——他们的听觉器官很好，可是他们竟听不见非常高的音调。有些人甚至连麻雀的叫声都听不见，这是为什么呢？蝙蝠的发声要比昆虫低一个8度

因为，在我们附近发生的振动，我们的耳朵觉察不到的多得很。如果一个物体1秒内振动的次数不到16次，这声音我们就听不见。如果1秒内高到振动15000到22 000次以上，我们也听不到它。不过各人能够察觉的音调的最高界限是各不相同的。如老年人的这种最高界限可以低到每秒振动6 000次。

许多种昆虫（如蚊子和蟋蟀）发出的声音，振动次数是每秒20 000次。这些音调当然是有些人听得见，有些人听不见。有些不能觉察高音的人，往往在别人觉得杂乱以及有非常刺耳的声音的地方，感到十分安静。

有时候很多小朋友在草地游玩，草地里到处都是昆虫。有些小朋友觉得，这里的空气中充满着尖锐的虫鸣声，可是另一些小朋友却什么也听不见，因为昆虫的“音乐”超出了他们的听觉范围。

再比如，蝙蝠对于某些人是一种不会发声的动物。那是因为蝙蝠的吱吱声比昆虫的刺耳的鸣声要低一个8度，比有些人的音调觉察力的最高界限还要低。

19世纪初，德国物理学家克拉德尼做了一个试验：他在一个小提琴上安放一块较宽的金属薄片，在上面均匀地撒上沙子。然后开始用琴弓拉小提琴，结果这些细沙自动排列成不同的美丽图案，随着琴弦拉出的曲调不同和频率的不断增加，图案也不断变幻和越趋复杂——这就是著名的“克拉德尼声音图案”。德国物理学家克拉德尼

这种技术后来经瑞士科学家杰尼等人的不断完善，就逐步形成了音流学，即通过不同频率的声波振动水、细沙、油或其他传播介质，就能得到各种物质的声波振动几何图案，音流学技术还可用来“捕捉”动物的声音和分析各种复杂的声波。如声学工程师通过把海豚和鲸类发出的声波频率绘成各种可视化的声音图谱，就能从声音上准确识别出海洋动物的种类。让它们的歌声不仅优美动听，而且也赏心悦目。也许有一天，人类通过音流学技术，能真正读懂海豚之间是如何交流的。此外，我们还可以将音流学用于治疗和教育方面，还可以使用音流学来做美丽的自然艺术形式，可以使用音流学作为探索自然的镜子。克拉德尼声音图案通过音流学技术，也许人类能和海豚交流

按照量子力学的理论，“万物是通过波动而存在的，世间所有的一切都在波动，并且各自拥有一定的波长，从而形成自己独有的波动”。

因此，音流学让我们能够重新思考创造自然的形式，思索一下，或许音流学对宇宙本身的形成有某种影响，譬如：我们让一个装满沙子的容器以低于每秒25次的频率均匀地振动，沙子将最终呈现一个逐渐向外的螺旋形状，这个形状正是宇宙银河系的基本形态和外观，也是地球上生物遗传物质——DNA分子的双螺旋结构。DNA双螺旋结构谁持彩练当空舞

美丽的彩虹，神奇、绚烂，看到过它的人都为之赞叹。1933年夏，毛泽东作了一首追忆战争的《菩萨蛮·大柏地》，这首词中没有血腥的战争场面，只有对自然之美的回忆，其中，上阕写道：“赤橙黄绿青蓝紫，谁持彩练当空舞？”天空挂着七色彩虹的美景跃然纸上。事实上，夏日雨后，在和太阳相对着的方向，常常会出现彩色的圆弧，像一座弯弯的七彩桥一样，这就是虹，我们习惯将其称为彩虹。但你知道彩虹为什么是弯的？彩虹真的是恰好七种颜色吗？本章就来告诉你关于彩虹的秘密。五颜六色话彩虹

一说到彩虹，人们脑海里总会浮现出弯弯的七色拱桥。大部分时候，我们只能看到一条彩虹，但有时也会看到天空有两条彩虹，这两条彩虹，一条主虹，色彩鲜艳，里面是紫色，外面是红色，另一条副虹（也称为霓），里面是红色，外面是紫色，虹色较淡。副虹其实一定跟随主虹存在，只是因为它的光线强度较低，所以有时不被肉眼察觉而已。倘若在飞行的飞机上，看见的彩虹也可能是完整的圆形而不是拱形，而圆形彩虹的正中心则是飞机行进的方向。自然界中的彩虹飞行的飞机上可能看到完整圆形的彩虹

彩虹最常出现在下午，那是因为雨后刚转天晴时，空气内尘埃少而充满小水滴，天空的一边因为仍有雨云而较暗，人们就很容易观察到彩虹。彩虹的明显程度取决于空气中小水滴的大小，小水滴体积越大，形成的彩虹越鲜亮，小水滴体积越小，形成的彩虹就不明显。

一般冬天的气温较低，在空中不容易存在小水滴，下雨的机会也少，所以冬天一般不会有彩虹出现。晚虹是一种罕见的现象，在月光强烈的晚上可能出现。由于人类视觉在晚间低光线的情况下难以分辨颜色，故此晚虹看起来好像是全白的。

我们面对着太阳是看不到彩虹的，只有背着太阳才能看到彩虹，所以早晨的彩虹出现在西方，黄昏的彩虹出现在东方。事实上，彩虹不是出现在天空中特定位置上的，彩虹看起来的位置，会随着观察者而改变。当观察者看到彩虹时，它的位置必定是在太阳的相反方向。彩虹的拱以内的中央，其实是被水滴反射、放大了的太阳影像。所以彩虹以内的天空比彩虹以外的要亮。彩虹拱形的正中心位置，刚好是观察者头部阴影的方向，虹的本身则在观察者头部的影子与眼睛一线以上40°至42°的位置。因此当太阳在空中高于42°时，彩虹的位置将在地平线以下而看不见，只有乘飞机从高空向下看才能见到。这就是彩虹很少在中午出现的原因。彩虹位置示意图

虹的出现与当时天气变化密切相关，我们可以从虹出现在天空中的位置推测将出现晴天还是雨天，我国大部分地区处于中纬度，系统性降水天气大多由西向东移动，虹的方位与太阳方位相反，如果早上在西方天空出现虹，表明西方雨区正在东移，天气将变坏，如果在傍晚看到东方出现虹，表明西方已经转晴，雨区已移过当地，天气将变好。因此，在我国广泛流传着“东虹日头西虹雨”的谚语。日照雨滴则虹生

古人对光色散现象的认识最早起源于对自然色散现象——彩虹的认识。彩虹是气象中的一种光学现象：“彩”，顾名思义，是“七彩”、“彩色”的意思；“虹”，“工”代表音旁，“虫”代表形旁。为什么是虫字旁呢？因为在中国古代，人们还不知道彩虹是怎么形成的，认为彩虹是一条饮用雨滴的虫，所以取用虫字旁，代表着美好。

早在公元前4世纪，亚里士多德就对彩虹进行了认真研究，并且观察到了彩虹的几大重要特征：第一，如果太阳在地平线上升起得不太高，彩虹就会出现；第二，彩虹不会出现在夏日的中午；第三，我们可以同时看到两条形状相同但颜色顺序排列相反的彩虹，其中外侧那条显得略为松散；第四，彩虹主要由三种（或四种）颜色组成。不过，亚里士多德对彩虹的解释并不正确，没有注意到光的折射作用，他认为只有大的镜子可以反射出物体的全部外形，他把天空中的水滴比做小镜子，认为这个镜子太小了，不可能反射出整个太阳，但是又必须得有什么东西反射出来，所以会有颜色呈现出来。

公元200年左右，雅典哲学家亚历山大观察到彩虹一个很重要的现象，那就是两条虹中间的区域亮度较暗，后人将这条暗带命名为“亚历山大暗带”。亚历山大暗带

在我国殷代甲骨文里就已有关于虹的记载。唐初，我国经学家孔颖达曾指出产生虹的两个基本条件：云（薄云）和日。他在为《礼记》作疏时，写道“若云薄漏日，日照雨滴则虹生”，强调特别重要的是“日照雨滴”，把“日照”和“雨滴”结合起来，说明虹是太阳光照射雨滴所产生的一种自然现象。

公元8世纪中叶，张志和在《玄真子·涛之灵》中第一次用实验方法研究了虹，并将其制作人工彩虹的实验记录下来：“背日喷呼水成虹霓之状，而不可直也，齐乎影也。”之后，不断有人重复类似的实验，如南宋蔡卞进行了一个模拟“日照雨滴”的实验，把虹和日月晕现象联系起来，以说明虹的产生是一种色散过程，并指出了虹和阳光

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