เรามักจะเห็นรุ้งกินน้ำหลังฝนตก หรือเวลาฉีดละอองน้ำเล็กๆ กลางแสงแดด เราก็จะเห็นรุ้งเช่นกัน รุ้งกินน้ำที่โค้งเป็นรูปครึ่งวงกลมมีแถบสีหลายสี แถบสีเหล่านี้ มีความคมชัดไม่เท่ากัน รุ้งกินน้ำที่เราเห็นส่วนใหญ่มีแถบสีม่วงอยู่ล่างสุด และมีแถบ สีแดงอยู่บนสุด รุ้งนี้คือรุ้งปฐมภูมิ แต่ในบางโอกาสเราอาจเห็นรุ้งสองตัวคือ รุ้งปฐมภูมิที่อยู่ล่าง และรุ้งทุติยภูมิที่อยู่บน ซึ่งรุ้งทุติยภูมินั้นมีแถบสีแดงอยู่ล่างสุด และแถบสีม่วงอยู่บนสุด และถ้าเราสังเกตให้ดี เราก็จะเห็นว่า ท้องฟ้าในบริเวณ ระหว่างรุ้งทั้งสองตัวนั้นมักจะ "มืด" กว่าฟ้าในบริเวณอื่น หรือถึงแม้เราจะเห็นรุ้ง ปฐมภูมิแต่เพียงตัวเดียวก็ตาม เราก็จะเห็นว่า บริเวณเหนือรุ้งปฐมภูมินั้นจะมืดกว่า บริเวณตัวรุ้งเล็กน้อยเสมอไป นักวิทยาศาสตร์เรียกบริเวณนี้ว่า แถบมืดของ Alexander ตามชื่อของนักปราชญาชาวกรีกชื่อ Alexander แห่ง Aphorodisias ซึ่งเป็นบุคคล แรกที่ได้พูดถึงแถบมืดระหว่างรุ้ง เมื่อปี พ.ศ. 743

 

Aristotle คือนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่ได้พยายามอธิบายที่มาของรุ้งกินน้ำว่า เกิดจากการสะท้อนแสดงอาทิตย์โดยก้อนเมฆ และการที่เราเห็นรุ้งกินน้ำโค้งนั้นเพราะแสงอาทิตย์ที่สะท้อนมาเข้าตา เราทำมุมเฉพาะมุมหนึ่งกับเมฆ และเมื่อถ้าทุกรังสีเวลา สะท้อนทำมุมๆ นั้นเท่ากันหมด เราจึงเห็นรุ้งกินน้ำโค้งเป็นรูปครึ่งวงกลม คำอธิบายของ Aristotle จึงมีส่วนถูกในประเด็นที่ว่า ตำแหน่งของเมฆ มิได้เป็นกำหนดการเกิดรุ้งแต่ทิศที่แสงสะท้อนมาเข้าตาเรา ต่างหากที่เป็นตัวกำหนดตำแหน่งและลักษณะของรุ้งกินน้ำ

Roger Bacon เป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่พบว่า รุ้งปฐมภูมิอยู่สูงกว่าระดับสายตาของคนดูประมาณ 42 องศาเสมอ และรุ้งกินน้ำชนิดทุติยภูมิจะอยู่สูงขึ้นไปอีกประมาณ 8 องศาคือ 50 องศา แต่ในปัจจุบันนี้การวัดมุมแสดงตำแหน่งของรุ้งกินน้ำ มานิยมวัดสวนทิศกับที่ Bacon วัด ดังนั้น มุมของรุ้งกินน้ำทั้งสองจึงเป็น 180-42 = 138 องศา และ 180-50 = 130 องศา ตามลำดับ

หลังจากที่ Aristotle ได้ศึกษารุ้งกินน้ำแล้ว อีก 1,700 ปีต่อมาก็ไม่มีใครสนใจศึกษาเรื่องนี้อีกเลย จนกระทั่งถึงปี พ.ศ. 1847 บาทหลวงชาวเยอรมันคนหนึ่งชื่อ Theodoric แห่งเมือง Freibury ได้ปฏิเสธความคิดของ Aristotle ที่ว่ารุ้งกินน้ำเกิดจาก การสะท้อนของแสงอาทิตย์โดยกลุ่มหยดน้ำฝนในก้อนเมฆเมื่อ Theodoric สร้างถังแก้วรูปทรงกลมที่มีขนาดใหญ่แล้วบรรจุน้ำเต็ม เขาได้ทดสอบทฤษฎีของเขาโดยการฉายแสงเข้าไปในน้ำในถังแก้ว ความโปร่งใสของน้ำทำให้เขาสามารถเห็นเส้นทางเดินของน้ำ ในถังได้ด้วยตาตั้งแต่ต้นจนกระทั่งแสงทะลุผ่านถังแก้วไป และเขาก็ได้พบว่าเพียงถังแก้วถังเดียว เขาก็สามารถทำให้เกิดรุ้งได้แล้ว โดยไม่ต้องใช้ถังเป็นล้านๆ ถัง Theodoric จึงคิดว่ารุ้งกินน้ำสามารถเกิดจากหยดน้ำฝนเพียงหนึ่งหยดได้

การค้นพบของ Theodoric นี้ไม่มีใครสนใจเลย จนกระทั่งถึง 300 ปีต่อมา เมื่อ R. Descartes อ่านผลงานของ Theodoric และได้พัฒนาความคิดเรื่องรุ้งกินน้ำต่อ Descartes ได้แสดงให้เห็นว่า รุ้งปฐมภูมิเกิดเมื่อแสงอาทิตย์สะท้อนภายในหยดน้ำ หนึ่งครั้งและรุ้งทุติยภูมิเกิดเมื่อแสดงอาทิตย์สะท้อนที่ผิวภายในหยดน้ำสองครั้ง เพราะเหตุว่าในการสะท้อนแต่ละครั้ง แสงบางส่วน จะหายไป ดังนั้นเมื่อรุ้งทุติยภูมิเกิดจากการสะท้อนแสงอีกครั้ง รุ้งทุติยภูมิจึงมีความเข้มที่เจือจางยิ่งกว่ารุ้งปฐมภูมิตามที่ตาเห็น

ดังนั้น หลักการเกิดรุ้งกินน้ำที่ Descartes และ Theodoric พบก็คือ หากเราจะเข้าใจรุ้งกินน้ำได้ เราต้องเข้าใจการสะท้อนและ การหักเหของแสงในหยดน้ำฝน

ในเรื่องการสะท้อนของแสงนั้น ใครๆ ก็รู้ดีว่า เวลาเราฉายแสงไปกระทบกระจก แสงจะสะท้อนโดยมีมุมตกกระทบเท่ากับ มุมสะท้อน แต่การหักเหของแสงมีหลักการที่ซับซ้อนกว่าเล็กน้อย และเมื่อเราทุกคนรู้ว่าความเร็วของแสงในสุญญากาศไม่เคยเปลี่ยนแปลง แต่ความเร็วของแสงในตัวกลาง เช่น น้ำ จะเป็นเช่นไรขึ้นกับสมบัติของน้ำ ดังนั้นเมื่อนักฟิสิกส์วัดความเร็วของแสงในน้ำ และได้พบว่าความเร็วของแสงในน้ำมีค่าประมาณ 3 ใน 4 เท่าของความเร็วแสงในสุญญากาศ ดังนั้น เวลาแสงจากอากาศผ่านเข้าไปในน้ำ หากแสงตกกระทบเฉียงๆ ทิศทางของแสงในน้ำจะหักเหโดยมุมหักเหจะมากหรือน้อยเพียงใดก็ขึ้นกับความเร็วของแสงในน้ำ และมุมตกระทบแต่กฎทั้งสองนี้ยังมิสามารถอธิบายสีต่างๆ ของรุ้งกินน้ำได้ จนกระทั่งถึงปี พ.ศ. 2209 เมื่อ I. Newton ได้ทดลองใช้ปริซึมแก้วหักเหแสงอาทิตย์ ผลการทดลองทำให้เขาพบว่า แสงอาทิตย์นั้นประกอบด้วยแสงอื่นๆ อีกหลายสี (ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง) ดังนั้น เวลาแสงอาทิตย์ผ่านเข้าไปในหยดน้ำ แสงสีต่างๆ จะหักเหหรือเบี่ยงเบนเป็นมุมไม่เท่ากัน นั่นคือเราจะเห็นแสงอาทิตย์กระจายออกเป็นแถบแสงที่มีหลายสี เมื่อแสงแต่ละสีทำให้เกิดรุ้งของมัน รุ้งสีต่างๆ เหล่านี้จะอยู่ซ้อนกันเป็นรุ้งกินน้ำตามที่เราเห็น Newton คำนวณพบว่ามุมที่รุ้งตัวแดงทำกับระดับสายตา = 42.03 องศา และมุมที่รุ้งสีม่วงทำกับสายตา = 40.28 องศา ดังนั้น มุมที่รุ้งปฐมภูมิรองรับกับสายตาจึงเป็น 42.03-40.28 = 1.75 องศา แต่แสงอาทิตย์มิได้มาในแนวขนานโดยตลอด เพราะว่าดวงอาทิตย์มีขนาดใหญ่เมื่อ Newton ได้พิจารณารายละเอียดเช่นนี้ เขาได้คำนวณใหม่และพบว่า มุมที่รุ้งปฐมภูมิรองรับสายตาจะเป็นประมาณ 2.25 องศา ทุกครั้งไป

ทฤษฎีของ Descartes และ Newton จึงสามารถอธิบายสาเหตุการเกิดรุ้งกินน้ำที่สำคัญๆ ได้

แต่คำอธิบายเช่นนี้ก็ใช่ว่าจะทำให้คนทุกคนพอใจ เพราะเมื่อกวี Goethe รู้ข่าวการอธิบายสาเหตุการเกิดรุ้งกินน้ำ โดย Newton เขารู้สึกท้อใจมาก เพราะเขาคิดว่าพระเจ้าสร้างรุ้งกินน้ำ โดยวิธีที่ลึกซึ้งและแยบยลกว่านั้นและถ้าพระเจ้ารู้ว่าเหล่า นักวิทยาศาสตร์เห็นด้วยกับ Newton พระองค์จะทรงเสียใจ

 

อันที่จริง ปรากฏการณ์รุ้งกินน้ำเป็นสิ่งที่ศิลปิน กวีและนักวิทยาศาสตร์ ในอดีตหลายคนได้สนใจศึกษามาก John Constable จิตรกรคน สำคัญคนหนึ่งของอังกฤษก็เคยสนใจรุ้งกินน้ำเช่นกัน เขาเกิดที่เมือง East Bergholt ในแคว้น Suffolk ของประเทศอังกฤษ เมื่อวันที่ 11 มิถุนายน พ.ศ. 2319 เพราะเหตุที่ว่าหมู่บ้านที่ Constable ใช้ชีวิตในวัยเด็กนั้น อยู่ท่ามกลางหุบเขา ใกล้แม่น้ำ Stour เด็กชาย Constable จึงซาบซึ้ง ในภูมิประเทศและได้ใช้ดินแดนแถบนี้ เป็นฉากในการวาดภาพทิวทัศน์ ตามชนบทเวลาเขาเติบใหญ่ ซึ่งภาพเหล่านี้ได้ทำให้ชื่อเสียงของ Constable เป็นอมตะมาจนทุกวันนี้

 

ในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 3 กุมภาพันธ์ พ.ศ.2543 J.E. Thornes แห่งมหาวิทยาลัย Birmingham ในประเทศอังกฤษ ได้รายงานว่า ภาพวาดของ Constable ที่มีชื่อว่า Salisbury Cathedral From The Meadows ที่Constable วาดเมื่อปี พ.ศ. 2374 นั้น ผิดความจริง เพราะภาพของรุ้งที่ปรากฏเหนือมหาวิหาร Salisbury เป็นภาพที่เป็นไปไม่ได้

 

Constable เป็นจิตรกรผู้มีความเชื่อว่าศิลปะคือวิทยาศาสตร์ ดังนั้น ในการทำงานวาดภาพจิตรกรก็ต้องเข้าใจวิทยาศาสตร์ ดีพอสมควรด้วย จึงเป็นที่ไม่น่าแปลกใจเมื่อภาพของก้อนเมฆ ภาพของดวงอาทิตย์ต่างๆ ที่ Constable วาด จึงดูสมจริง แต่ในกรณีของรุ้งในภาพดังกล่าว Thornes ได้พบว่า จากการศึกษาเงาของเสาที่ปักอยู่ที่มุมซ้ายล่างของภาพและแสงที่กระท บต้นไม้และมหาวิหาร ทำให้เขารู้ว่าขณะนั้นเป็นเวลา 6 โมงเย็นของเดือนสิงหาคม ซึ่งขณะนั้นดวงอาทิตย์กำลังอยู่เหนือพื้นดินประมาณ 15 องศา ดังนั้น รุ้งก็ควรจะอยู่ต่ำกว่าระดับที่ Constable วาดคือควรสูงไม่เกิน 27 องศา และตำแหน่งของรุ้งก็ไม่ควรจะอยู่ที่นั่น เพราะรุ้งจะต้องอยู่ตรงข้ามกับดวงอาทิตย์ เมื่อดวงอาทิตย์อยู่ทางขวาของภาพ รุ้งก็ต้องเลื่อนตำแหน่งไปอยู่ทางซ้ายของภาพมากกว่า

 

 

 

 

 

อ้างอิง : http://www.mwit.ac.th/~physicslab/content_01/sutut/constable.html