Irgendwann zwischen 1304 und 1310 füllte der Dominikanermönch Dietrich von Freiberg eine kugelförmige Glasflasche mit Wasser und hielt sie in die Sonne. «Der grösste wissenschaftliche Beitrag der westlichen Welt im Mittelalter», wurde später darüber geurteilt.
Zahllose Gelehrte vor ihm hatten schon versucht, hinter das Geheimnis des Regenbogens zu kommen. Einige vermuteten, der Bogen am Himmel sei eine Reflexion der Sonnenscheibe, andere glaubten, die Wolke aus Regen wirke als Linse. Klar war, dass der Regen irgendwie das Sonnenlicht reflektierte, denn der Regenbogen war nur mit tiefstehender Sonne im Rücken zu sehen. Doch warum war er immer Teil eines gleich grossen Kreises? Wie war die Anordnung der Farben zu erklären? Und woher kam der zweite Bogen, der manchmal oberhalb des ersten erschien und dessen Farben die umgekehrte Reihenfolge hatten?
Durch blosses Beobachten war dem Regenbogen nicht beizukommen. Doch wie konnte man das Naturschauspiel ins Labor holen? Man wusste zwar, dass sich das Sonnenlicht in Farben aufteilte, wenn es durch eine Wasserflasche schien, doch die Flasche, die man sich als verkleinerte Regenwolke dachte, erzeugte ja keinen Regenbogen.
Da hatte von Freiberg eine Idee: Er sah die kugelförmige Wasserflasche nicht als verkleinerte Wolke, sondern als vergrösserten Tropfen. Wer verstand, was mit dem Sonnenlicht in einem einzelnen Tropfen passiert, brauchte sich nur noch zu überlegen, was geschähe, wenn die unzähligen Tropfen eines Regenschauers gleichzeitig diesen Effekt zeigten.
Also verfolgte von Freiberg einen einzelnen Sonnenstrahl auf seinem Weg. Zuerst liess er den Strahl in den oberen, der Sonne zugewandten Viertel des Tropfens eindringen: Er sah an seiner Kugelflasche, dass er zuerst gebrochen wird und dann seinen Weg im Wasser in einem etwas steileren Winkel fortsetzt. An der Rückseite der Flasche verlässt ein Teil des Strahls die Flasche, der andere Teil wird reflektiert, durchquert das Wasser jetzt rückwärts und verlässt es dann im unteren, der Sonne zugewandten Viertel der Kugelflasche, wobei er erneut gebrochen wird.
Aus anderen Experimenten wusste von Freiberg, dass Sonnenlicht auf dem Weg durch Wasser oder Glas in Farben aufgespaltet wird. Jeder einzelne Tropfen strahlt also immer alle Farben gleichzeitig in verschiedene Richtungen ab. Wir sehen davon jeweils nur jene Farbe, deren gebündelte Reflexion für einen Moment unser Auge trifft. Wenn ein Tropfen fällt, streift uns zuerst das rote Bündel des Sonnenlichts, das in einem Winkel von etwa 42 Grad reflektiert wird, dann das orange, das gelbe, das grüne, das blaue und am Schluss das violette Bündel mit etwa 41 Grad Reflexionswinkel. Ein Regenbogen besteht also aus einer Art fallenden Spiegeln – den Regentropfen –, die nacheinander in den Regenbogenfarben aufblitzen. Weil für die gefallenen Tropfen ständig neue nachrücken, entsteht der Eindruck eines stillstehenden Farbbandes.
Doch wie kam es zum zweiten, etwas grösseren Regenbogen, der oft über dem ersten entstand? Von Freiberg fand die Antwort, als er dem Lichtstrahl folgte, der in den unteren, der Sonne zugewandten Viertel der Kugelflasche eindrang. Der Strahl wurde wieder gebrochen, durchquerte das Wasser bis an die Rückwand der Flasche, wurde dort aber in so flachem Winkel reflektiert, dass er nach kurzem Weg durchs Wasser gleich noch einmal zur Rückwand gelangte. Nach einer erneuten Reflexion verliess er die Flasche nun im oberen, der Sonne zugewandten Viertel, wo er noch einmal nach unten gebrochen wurde. An der Entstehung des zweiten, sekundären Regenbogens sind also zwei Reflexionen beteiligt, deshalb die umgekehrte Farbreihenfolge des primären Bogens, bei dem es nur zu einer Reflexion kommt. Auch dass der sekundäre Regenbogen immer schwächer leuchtet als der primäre, macht Sinn: Bei zwei Reflexionen geht mehr Licht verloren als bei einer.
In einem Punkt allerdings lag Dietrich von Freiberg falsch. Er glaubte, Rot, Gelb, Blau und Grün, die er im Regenbogen sah, entstünden abhängig von der Eindringtiefe des Lichts und der Durchsichtigkeit des Wassers. Erst später fand man heraus, dass die Farben wegen ihrer unterschiedlichen Wellenlänge bei der Lichtbrechung ent stehen.
Von Freibergs Experiment war eines der ersten in der Geschichte der Wissenschaft. Seine Methode, aus den Eigenschaften der Elemente auf die Eigenschaft des Ganzen zu schliessen, wurde als Reduktionismus zum erfolgreichsten Prinzip der Naturwissenschaften überhaupt, auch wenn Kritiker den Regenbogenforschern schon bald vorwarfen, «die Poesie des Regenbogens zu zerstören».