1304-1310年間的某個時刻,多明我會修士迪特裡希·馮·弗賴貝格(Dietrich von Freiberg)將一個圓形的玻璃瓶注滿水舉到陽光下。據說後人評價這一舉動為「中世紀西方世界最偉大的科學貢獻」。
此前已有無數學者試圖探尋彩虹背後的秘密。有些人猜測,空中的弧形是對日輪的反射,另一些人認為,雨中的雲霧就像一面透鏡。總之可以確認的是,雨以某種方式反射了日光,因為人們只能在太陽位置很低的時候背向太陽看見彩虹。但是為什麼彩虹總是個始終一樣大的弧形?不同顏色的排列順序該如何解釋?有時在一道彩虹上方還會出現第二道彩虹,且顏色排列順序剛好相反,這又是怎麼回事呢?
僅憑肉眼觀察是不能解答彩虹形成的問題的。但又怎麼才能把自然奇觀帶入實驗室呢?雖然人們知道,太陽光透過充滿水的玻璃瓶照射時就會出現不同顏色,但是如果認為這樣的水瓶就像縮微的雨雲的話,它卻產生不出彩虹來。
必須要想新的辦法,而迪特裡希想了出來:他使用球形的水瓶,不是將它看成縮微的雲,而是看成放大的水滴。弄清陽光在個別的水滴中發生了什麼情況,就可以想見在陣雨中無數水滴同時生成這種效果時的情形。因此馮·弗賴貝格開始追蹤單獨一道太陽光線。首先他讓這道光線射人水滴的上半部並仔細觀察,發現光線發生彎折,接下來在水中轉過一個比較大的角度繼續前進。在玻璃瓶的另一面,部分光線穿透了瓶子,另一部分反射回來,繼續在水中行進,最後在玻璃瓶的下部朝向太陽方向穿透出去,這時光線又一次發生了彎折。通過另外的實驗,馮·弗賴貝格
已經知道陽光在通過水和玻璃的路途中會分成不同顏色。每個單獨的水滴都會同時將各種顏色反射向不同方向。而我們在這一時刻只看到某一種顏色,是因為集結成束的該顏色的反射光線正在此刻直射入我們的眼睛。一滴雨水落下時,首先映入我們眼中的是陽光中的紅色光束,它的反射角大約為42°,接下來依次是橙色、黃色、綠色、藍色,最後是反射角約為41°的紫色光束。所以說彩虹是由一類特殊的不斷下落的鏡子—雨滴所組成,它們前後相繼接連不斷地閃現彩虹的各種顏色。因為一直有雨滴持續落下,所以才會造成一個靜止不動的顏色帶的印象。那麼在第一道彩虹上方,相對更大一些的第二道彩虹是如何生成的呢?弗賴貝格在追蹤射入球形玻璃下部的光線時發現了答案。光線同樣是發生折射,穿過瓶內的水到達瓶的後壁,又以很緩的角度被反射,在水中穿行不久又到達了後璧,經過再一次的反射光線以朝向太陽的方向離開瓶體,穿透瓶體時又發生了朝下的折射。所以說第二道彩虹的產生是2次反射參與的結果,因此與只發生過一次反射的第一道彩虹顏色順序相反。而且第二道彩虹總是不及第一道明亮也說明與一次反射相比,兩次反射會使更多光線流失。
不過在有一點上迪特裡希·馮·弗賴貝格犯了個錯。他認為彩虹上紅黃藍綠等顏色的產生取決於光線射入的深度和水的透明度。直到後來人們才發現,這是由於不同顏色光的不同波長造成的。
馮·弗賴貝格的實驗是科學史上比較早的實驗之一。他採用的由元素特性推及整體特性的方法成為自然科學領域最為成功的原則—
歸納法,儘管很快就有批評家指責這位「彩虹研究者」「破壞了彩虹的詩意」,但這不會撼動他的功績。