虹は（文字通り）見る人の目の中にある

虹は、おそらく私たちが持っている本当の魔法に最も近いものです。雨が上がり、太陽が顔を出した瞬間、空に美しく幽霊のような幻影が現れ、とても幸せな気分になりますよね。

一見魔法のように見えるものすべてと同様に、虹もその背後にある科学を理解するとさらに素晴らしいものになります。まずは基本から始めましょう。

虹って一体何なんだろう？

太陽光は白く見えます（少なくとも人間の目には）。実際には、太陽光は赤、オレンジ、黄、緑、青、藍、紫など、すべての「虹」の色合いを含む、さまざまな色の光で構成されています。これが人間が見える光のスペクトルです。

水などの特定の物質は、光を屈折させて異なる波長に分離させます。光の波長によって色が決まります。短い波は前後に非常に速く揺れ動きますが、長い波は曲がりくねっています。可視光線のスペクトルでは、赤は長く、紫は短くなります。これらすべての異なる波長が組み合わさって、私たちには白く見えますが、広げると個々の色を見ることができます。

空気中の水蒸気は常に光を反射、屈折、分散させていますが、通常、その反射、屈折、分散はさまざまな方向に行われるため、1 つの明確な虹は見えません。これは、日中に受ける拡散した太陽光とは対照的に、単一方向からの直射光線がある場合にのみ発生します。

豪雨の後は、空気中に浮遊する水滴が多くなり、その後の太陽光線は一方向から差し込むことが多くなります。雲を突き抜ける数本の光線がある午後を想像してみてください。虹が現れるには最高の条件です。滝の霧や海のしぶきでも虹は現れます。

アークは、入射光線が空気中の個々の水滴内で跳ね返り、屈折することによって形成されます。次の図でそれをはっきりと見ることができます。

光は水滴から 42 度の角度で出ていくため、太陽光が当たる場所より 42 度下に立つと、必ず虹が見えます。言い換えると、頭から虹まで線を引き、そこから太陽に戻ると、その角度は常に 42 度になります。ただし、光は元の方向に屈折するため、太陽は常に背後にある必要があります。太陽に面しているときは、虹は見えません。

どこに立っていても、虹は実際に何らかの物理的な形で存在しているように見えます。丘の頂上にあるか、海の水平線に伸びているかもしれません。いずれにしても、虹はあなたが思っている場所に実際にあるわけではありません。あなたから背を向けて、虹の下に立っているように見える人を見た場合、その人は頭上の虹を見ているわけではありません。彼らはあなたと同じように虹を見ていますが、ただ遠くにあるだけです。誰もが同じ 42 度の角度で虹を見ています。

虹には「虹色」以上の色がある

私たちが光の「可視スペクトル」と呼んでいるものは、より正確には「人間に見えるスペクトル」と呼ぶべきでしょう。私たちの目は、390～700ナノメートルの波長を捉えることができます。それは、眼球の裏側に錐体と呼ばれる特殊な細胞があり、その波長を特定の色として解釈できるからです（注意：赤は最も長く、紫は最も短いです）。

しかし、屈折するのは太陽光の可視光線だけではありません。紫外線（紫より短い）と赤外線（赤より長い）も、ある程度は屈折しますが、人間の目では捉えられないため、見ることができません。ただし、一部のヘビは赤外線を見ることができるので、虹は赤の縁の向こう側に余分な帯を持つことになります。蝶やクモ、その他の昆虫、多くの鳥は紫外線を見ることができるので、虹の紫の部分の向こう側にもボーナスの帯を持つことになります。

犬や猫、そして霊長類を除く他のほとんどの哺乳類は、虹をあまり見ることができません。人間のような三色型色覚を持っていないため、可視スペクトルの一部しか見ることができません。霊長類のほとんどすべてに 3 種類の錐体細胞があり、それぞれが可視光の特定の領域に特化しており、これらが一緒になって、ある程度すべての色を見ることができます。他のほとんどの哺乳類は 2 種類の錐体しか持っていないため、見える色は少なくなります。色覚異常の人間の多くも同様の問題を抱えています。1 つ以上の錐体細胞が正常に機能しないため、スペクトルの特定の部分をあまりよく見ることができません。(色覚異常には他にも種類がありますが、錐体細胞が欠損しているのが最も一般的です。)

他の人と同じ虹を見ることさえできないかもしれない

幸運な人間の中には、余分な錐体細胞を持って生まれ、可視スペクトル内でより多くの色を見ることができるようです。文字通り名前がないので、これらの色について話すのは難しいですが、シャコなどの他の動物も虹の中でより多くの色を見ることができると考えられます。

また、一部の文化では実際にはより多くの色合いを識別できるという、やや議論の余地のある考えもあります。たとえば、ナミビア北部のヒンバ族は、英語を話す人々よりも緑を表す言葉がはるかに多く、ヒンバ族は、外部の人にはまったく同じ色に見える緑を区別することができます。ある理論では、ヒンバ族は色合いを表す言葉を持っているため、違いを区別できるようになるとされています。批評家は、ヒンバ族は単に自然に違いを見分けることができるので、色合いに名前を付けているのだと言います^。1

同様に、ロシア語話者は英語話者よりも青の色合いを区別しやすく、ロシア語では青に 1 つのカテゴリではなく、明るい青と暗い青の 2 つのカテゴリがあります。英語には青の色合いを表す単語がたくさんあることは明らかですが、私たちはそれらを 1 つのカテゴリに分類しています。ロシア語ではそれらを区別しています。

つまり、話す言語によっては、隣に立っている人と虹の見え方が異なる可能性があるということです。私たちの目は物理的に同じ波長の光を知覚しますが、脳がそれらの光線を同じように処理していないと、異なる色が「見える」ことになります。色は主に脳の中にあり、目の中にはありません。

1. 2015年にBusiness Insiderは、ラジオラボのエピソードに基づいた記事を掲載したが、その記事はもともとBBCのヒンバ族に関するドキュメンタリーで語られた話を広めたようで、部族には緑と青を区別する言葉がないため、文字通り青い四角と緑の四角を区別できないと主張していた。ドキュメンタリーは研究結果を誤って伝えていた。ヒンバ族はもちろん青を見ることができるが、英語を話す人よりも青い四角を識別するのが遅いだけである。色覚と言語は関連しているという点は依然として変わらないが、青を表す言葉がないために青がまったく見えない人がいるわけではない。詳しくはここで読むことができる。↩︎