太ようの 光は、じつは いろいろな 色が まざった 光です。この 光が、空気の中の まるい 雨つぶに あたると、水の 中に 入る ときに 少し むきが かわります(これを「くっせつ」と いいます)［1］。光の 色ごとに、まがる 大きさが すこし ちがいます。そのため、雨つぶの 中で 光が 色ごとに わかれます［1］。わかれた 光は、雨つぶの 内がわの ふちで はねかえり、もう 一ど くっせつして 外に 出ていきます［1］。これが たくさんの 雨つぶで おきると、色の おびが 見えるのです。

太陽の光は、じつはいろいろな色が混ざった光です。この光が、空気の中の丸い雨粒にあたると、水の中に入るときに少し向きが変わります(これを「屈折」といいます)［1］。色によって曲がる大きさが少し違うので、光がいろんな色に分かれます［1］。分かれた光は、雨粒の内側の表面ではねかえり、もう一度屈折しながら外に出ていきます［1］。これがたくさんの雨粒で起きます。雨粒の位置によって、目に届く色が少しずつちがいます。その色が空に並んで見えるので、色の帯になるのです。

太陽光は、複数の波長の光が混ざった白色光である。この光が空気中の球形の雨粒に入射すると、境界面で屈折する。屈折率は光の波長(色)によってわずかに異なるため、この時点で光は色ごとに分かれはじめる(分散)［1］。分かれた光は雨粒内部の面で反射し、雨粒から出る際にもう一度屈折する［1］。観測者の目には、雨粒ごとに特定の方向から届く色の光が見える。無数の雨粒から異なる色の光が届くことで、全体として虹という色の帯が見える［1］。

にじは、太ようと はんたいの ほうを むいたとき、いつも おなじくらいの ひろがりで 見えます［2］。1637年、フランスの がくしゃ デカルトは、水を いれた まるい ガラスの いれものを つかって、この ひろがりを たしかめました［2］。けいさんと じっけんで、太ようと はんたいの むきから 見て、やく42どの ところに にじが 見えると わかりました［2］。デカルトは、なぜ 色が つくのかも じぶんなりに かんがえましたが、その せつめいは ただしくは ありませんでした［2］。

虹は、太陽と反対の側に、いつも同じくらいの角度で現れます［2］。1637年、フランスの学者デカルトは、水を入れた丸いガラスの容器を使って、この角度を確かめました［2］。計算と実験で、太陽と反対の向きから見て、およそ42度のところに虹が見えると分かりました［2］。デカルトは、なぜ色がつくのかも自分なりに考えましたが、その説明は正しくありませんでした［2］。

虹は、太陽・雨粒・観測者を結ぶ角度が一定の範囲になる位置に現れる。1637年、フランスの哲学者・数学者ルネ・デカルトは『方法序説』に収められた「気象学」の中で、水を満たした丸い透明なフラスコを使って光の道筋を検証し、主虹が、観測者から見て太陽と反対の方向を中心に約42度の位置に現れることを幾何学的に計算し、実験でも確かめた［2］。もっとも、色が生じる理由については、光の粒子の回転の違いによるという独自の説明を試みたものの［2］、これは後にニュートンが示すような、光の波長ごとの屈折率の違いという原理とは異なるものだった［1］。

デカルトから すこし あとの じだいに、イギリスの ニュートンは、三かくの ガラス「プリズム」を つかった じっけんを しました［3］。白い 光を プリズムに とおすと、にじ色に わかれます。わかれた 光を、べつの プリズムで もう一ど まとめると、もとの 白い 光に もどる ことを しめしました［3］。これで、白い 光は、もともと いろんな 色が まざった ものだと わかったのです［3］。

デカルトから少しあとの時代に、イギリスのニュートンは、三角のガラス「プリズム」を使った実験をしました［3］。白い光をプリズムに通すと、虹色に分かれます。分かれた光を、別のプリズムでもう一度まとめると、もとの白い光に戻ることを示しました［3］。これで、白い光は、もともといろんな色が混ざったものだと分かったのです［3］。

アイザック・ニュートンは、三角柱のガラス「プリズム」を用いた一連の実験によって、この謎に決着をつけた。プリズムに太陽光(白色光)を通すと虹色の帯(スペクトル)に分かれる。ニュートンはこの分かれた光を凸レンズで一点に集めることで白色光に戻せることを示し、さらに別の実験では、分かれた光を第二のプリズムに通して再合成することでも白色光に戻ることを確かめた［3］。これらの実験により、白色光はもともと複数の色の光が合わさったものであり、プリズムや雨粒はそれを分けて見せているにすぎないことが明らかになった［3］。

にじの 外がわに、うっすらと もう 1本、べつの にじが 見える ことが あります。これを「ふくにじ」と いいます［4］。ふつうの にじ(「しゅにじ」と いいます)は、外がわが 赤、内がわが むらさきですが、ふくにじは、色の ならびが ぎゃくに なって います［4］。光が 雨つぶの 中で 2かい はねかえると、色の ならびが ぎゃくに なります［4］。

虹の外側に、うっすらともう1本、別の虹が見えることがあります。これを「副虹(ふくにじ)」といいます［4］。ふつうの虹(主虹)は、外側が赤、内側が紫ですが、副虹は、色の並びが逆になっています［4］。これは、雨粒の中で、光が2回はねかえっているからです［4］。

条件がそろうと、主虹の外側、太陽・雨粒・観測者のなす角度がおよそ50〜53度の位置に、「副虹」と呼ばれるもう1本の虹が見えることがある［4］。主虹は外側が赤・内側が紫の順に並ぶが、副虹は雨粒内部で光が2回反射するため、色の並びが逆転し、外側が紫・内側が赤になる［4］。反射の回数が増えるごとに光は弱くなるため、副虹は主虹より薄く見える。

にじは、どこかに おいてある「もの」では ありません。じぶんの 目の うしろに 太ようが あり、その はんたいがわに 雨つぶが あると、見える 光です［5］。だから、にじの ほうに あるいて いっても、見えて いる 雨つぶは かわりつづけて、けっして たどりつけません［5］。となりに いる 人が 見て いる にじは、じつは じぶんが 見て いるのとは、すこし ちがう にじなのです［5］。

虹は、どこかに置いてある「もの」ではありません。自分の目と、太陽と、雨粒の並びで、たまたま見えている光です［5］。だから、虹のほうに歩いていっても、見えている雨粒は変わりつづけて、けっしてたどりつけません［5］。となりにいる人が見ている虹は、実は自分が見ているのとは、少し違う虹なのです［5］。

虹は特定の場所に存在する物体ではなく、観測者の目・太陽・無数の雨粒という3者の位置関係によって、そのつど作り出される光学現象である［5］。観測者が移動すれば、条件を満たす雨粒の組み合わせも変化するため、虹は常に観測者から一定の角度を保ったまま「逃げて」いくように見え、決して到達することができない［5］。同じ理由で、隣に立つ人が見ている虹は、厳密には自分が見ている虹とは異なる雨粒によって作られた、別の虹である［5］。

天気の いい 日に、太ようを せなかに して、ホースや じょうろで 水を こまかく まいて みよう。太ようの ぎゃく がわに、小さな にじが 見える ことが あります。水の つぶが、雨つぶの かわりに なって いるのです。

天気のいい日に、太陽を背にして、ホースやじょうろで水を細かくまいてみよう。太陽の逆側に、小さな虹が見えることがあります。水の粒が、雨粒のかわりになっているのです。

晴れた日に太陽を背にして、ホースやじょうろで細かい水を噴霧してみよう。太陽の反対側に、小さな虹が現れることがある。天然の雨粒のかわりに、人工的に作った水滴が同じ役割を果たしている。角度や自分の位置を変えると、虹の見え方がどう変わるかも観察してみよう。