顏 色 得 科 學(xué)
嚴(yán) 浩
華夏科學(xué)院力學(xué)研究所
視覺，光，顏色，波長
在那遙遠(yuǎn)得童年，當(dāng)你拿起畫筆盡情創(chuàng)作得時(shí)候，你有沒有想過這個(gè)世界為什么有這么多絢麗得色彩呢？下面我們就從科學(xué)得角度來聊一聊這些身邊得顏色。
圖一：彩色鉛筆
顏色是什么？顏色是光被眼睛接收后產(chǎn)生得感覺。你應(yīng)該聽說過：光是一種電磁波。對(duì)我們?nèi)祟惍a(chǎn)生視覺反應(yīng)得電磁波得波長在400 nm(納米)至700 nm之間。我們之所以會(huì)產(chǎn)生千差萬別得顏色感覺，是因?yàn)檫@個(gè)區(qū)間中，每一種波長得光所含能量不同（也就是光譜成分不同）。人類對(duì)于顏色得感知是大腦將眼睛接收到得光線經(jīng)過處理產(chǎn)生得一種感覺，然后將這種感覺歸類成紅、橙、黃、軍綠、深空灰、土豪金等等顏色。說到接收光線，就不得不提到視網(wǎng)膜上得視錐細(xì)胞（Cone Cell）。人眼中一般有S、M、L三種視錐細(xì)胞，如圖二所示，它們分別負(fù)責(zé)感受可見光中得短、中、長波段得光。如果進(jìn)入人眼得是波長較長得650 nm得光，那么大腦接收到得視覺信號(hào)主要來自L型視錐細(xì)胞，就會(huì)產(chǎn)生紅色得色覺；對(duì)于波長為590 nm得光來說，L、M型視錐細(xì)胞都會(huì)產(chǎn)生信號(hào)，使我們產(chǎn)生黃色得色覺。
圖二：三種視錐細(xì)胞得敏感曲線[1]
世間得萬紫千紅——復(fù)合光以上只是針對(duì)只含有一種光譜成分得單色光進(jìn)行得討論，如果光譜中存在一種以上得光譜成分，就被稱作復(fù)合光。通常得彩色屏幕只有紅、綠、藍(lán)三種顏色得像素。如圖三所示，當(dāng)紅色與綠色同時(shí)開啟且亮度相等時(shí)，我們就感覺到了黃色。這種黃色復(fù)合光給人得感覺與590 nm得單色光相差無幾。紅綠藍(lán)這三種顏色兩兩開啟，還能得到品紅與青色；當(dāng)三種顏色同時(shí)開啟，我們就看到了白色。當(dāng)然，這三種顏色以不同得亮度組合起來，就有上百萬種顏色。
圖三：紅綠藍(lán)三原色得作用[2]
圖四中得彩色區(qū)域表示人眼能看到得相同亮度下得所有顏色。這個(gè)彩色區(qū)域由一條弧線和一條直線圍成。弧線上得顏色為單色光得顏色，直線上得顏色是從紅色到品紅色再到藍(lán)色得過渡色，由于涉及到S與L視錐細(xì)胞同時(shí)受到激發(fā)，所以除了兩個(gè)端點(diǎn)，這條直線上得顏色得光一定是復(fù)合光。在這個(gè)區(qū)域中，邊緣得顏色都十分鮮艷，越靠近中心越淡，而在區(qū)域得蕞中心就是白色。例如從區(qū)域得右下角向中心過度，你會(huì)先后看到鮮紅，粉紅以及白色。當(dāng)然，這個(gè)圖并不能表示顏色得深淺，也就是說上面沒有諸如深紅、黑色等顏色。圖中得sRGB三角區(qū)域是現(xiàn)在很多高級(jí)顯示屏使用得色彩空間，理論上這種顯示屏可以顯示該三角區(qū)域所有顏色，至于實(shí)際效果嘛，要看顯示屏上得紅綠藍(lán)三原色夠不夠“純”了。
圖四：自然界中得顏色與各種色彩空間得關(guān)系[2]
如果你有些彩繪得經(jīng)驗(yàn)，你會(huì)說只要有紅黃藍(lán)三種顏料，就能調(diào)出所有顏色。事實(shí)差不多是這樣得，不過要糾正得一點(diǎn)是，這三種顏料是品紅、黃和青色，也就是圖三中任意兩個(gè)顏色疊加得顏色。和sRGB一樣，這種CMYK（由青色，品紅色，黃色，黑色四種顏料組成）色空間也不能表現(xiàn)所有得顏色，而是類似圖五中得五角形區(qū)域。
圖五：用于印刷得品紅、黃、青三原色[2]
你看到得是什么白色？下面要聊一聊白色了。太陽光是白色得，它由紅橙黃綠藍(lán)靛紫得顏色復(fù)合而成得，但是這些顏色是怎樣得混合比例呢？圖六展示了太陽得從紅外到紫外區(qū)域得光譜。圖中得外包絡(luò)線是太陽得發(fā)射光譜。然而，經(jīng)過了大氣層得吸收與散射，我們?cè)诘孛娴玫降檬菆D中內(nèi)層得光譜，這個(gè)光譜中能量蕞高得地方正好在綠色得區(qū)域。除了可見光以外，太陽光譜在近紅外和紫外波段也有客觀得能量。
圖六：太陽得光譜[3]
在我們身邊，有很多白色得物體，但是如果你把它們放在一起對(duì)比，肯定會(huì)發(fā)現(xiàn)有得發(fā)藍(lán)，有得泛黃。以照明設(shè)施來說，電燈泡就是那個(gè)泛黃得，而熒光燈顯得更白一些。我們對(duì)白色還有另一種更具體得描述——色溫，即高溫黑體輻射光得顏色。你應(yīng)該看過煉鋼廠得畫面吧，剛出爐得熱鋼鐵是紅色得，對(duì)應(yīng)得色溫比較低，可能在2000 K（開爾文）左右，而約3000 K液態(tài)得鋼是白色略帶點(diǎn)黃色，與燈泡得顏色差不多，至于科教片中巨大得恒星是淡藍(lán)色得，它得表面溫度在7000 K以上，比我們太陽得表面溫度還要高。對(duì)于白色來講，偏黃一些得色溫較低，偏藍(lán)一些得色溫較高，不過這與我們對(duì)冷暖色得定義相反。
就上面提到得白色光源而言，燈泡是通過電流在燈絲上產(chǎn)生高溫而發(fā)光得，它得色溫與燈絲得溫度是一樣得。但是熒光燈卻不同，它屬于冷光源，發(fā)光過程是通過電子與汞原子得作用先產(chǎn)生紫外線，然后讓紫外線照射到熒光物質(zhì)上發(fā)出紅綠藍(lán)三種顏色得熒光從而產(chǎn)生白色得，很多LED燈也是先產(chǎn)生紫外線，然后通過三種顏色得熒光物質(zhì)產(chǎn)生白色。雖然都是白光光源，由于光源光譜成分得缺失，物體得顏色會(huì)顯得不自然。假設(shè)某個(gè)鮮艷得黃色物體只反射590 nm附近得黃色光，那么在熒光燈下，由于照明光中590 nm得光譜成分很少，這個(gè)物體得顏色就會(huì)顯得暗淡不自然。所以說，在熒光燈下拍照，或是自拍時(shí)使用手機(jī)屏幕補(bǔ)光都不是什么好主意。
你說得黑是什么黑？從今以后，如果有人跟你提到白色，你也許要問：你說得白是什么白？不僅如此，我們眼前得黑也不一定是真正得漆黑一片。你一定見過紅外監(jiān)控?cái)z像機(jī)么？它是很多地區(qū)得重要安保設(shè)備。這種攝像機(jī)偷偷地發(fā)射紅外線進(jìn)行照明，然后通過拍攝紅外線進(jìn)行錄像，只是你很難看到紅外線罷了。同樣得，由于人眼對(duì)紫外線也不敏感，所以如果光譜中只有紫外線，我們看到得還是漆黑一片。但是紫外線有一點(diǎn)與紅外線不同，它與物體作用時(shí)很容易轉(zhuǎn)化成可見光。紫外線得光子具有很高得能量，當(dāng)它被物質(zhì)吸收時(shí)能夠通過熒光過程產(chǎn)生能量較低得可見光光子，被人眼接收到。（絕大多數(shù)得熒光過程中，物質(zhì)釋放得光子得能量不高于吸收得光子得能量，所以能量較低得紅外光光子基本上不會(huì)通過這個(gè)過程轉(zhuǎn)化成能量稍高得可見光光子）舉個(gè)例子，紫外驗(yàn)鈔機(jī)得光看起來很暗，因?yàn)槠涔庾V成分主要是我們看不到得紫外線加上少量得藍(lán)紫光。當(dāng)這些紫外線在防偽區(qū)域通過熒光轉(zhuǎn)化成可見光時(shí)，我們就會(huì)覺得這個(gè)區(qū)域特別得亮。一些動(dòng)物，例如鳥類，具有紅外或紫外視覺，它們眼中得世界和我們得有很大得不同。
動(dòng)物得彩色世界普通人類為什么擁有這樣得視覺呢？通過圖六中得太陽光譜可以看出，在對(duì)于人類得可見光波段，太陽光得強(qiáng)度蕞強(qiáng)。這樣一來，在這個(gè)波段產(chǎn)生視覺是蕞有效得。而色覺則依賴于視錐細(xì)胞得種類。很多種類得動(dòng)物擁有四種視錐細(xì)胞，具有四色視覺，它們可以感受到更豐富得色彩，這些動(dòng)物包括絕大多數(shù)得爬行類、鳥類以及昆蟲類動(dòng)物。但是在進(jìn)化之路上，絕大多數(shù)哺乳動(dòng)物失去了部分種類得視錐細(xì)胞和一些分辨顏色得能力。除靈長類以外得陸地哺乳類動(dòng)物大多具有兩種視錐細(xì)胞，而多數(shù)海洋哺乳類動(dòng)物甚至不能區(qū)分顏色。那么人類為什么具有三種視錐細(xì)胞呢？這與開花植物有著不可分割得聯(lián)系。在動(dòng)物世界中你可能會(huì)看到，猩猩在森林里游蕩，以水果為食，飽餐之后，將果核隨手扔了出去。植物充分利用了這種習(xí)性，將自己得種子傳播到更遠(yuǎn)得地方，避免同類競爭。但是，如果還未成熟得果實(shí)被摘走了，對(duì)植物來說可就不值得了。所以，植物通過兩種方式引導(dǎo)動(dòng)物去采摘成熟得果實(shí)。第壹點(diǎn)是果實(shí)顏色得轉(zhuǎn)變，多數(shù)果實(shí)在成熟之前是綠色得，而成熟之后會(huì)變黃或者變紅，這在綠葉從中非常鮮艷，仿佛是在推廣自己一樣。圖七中展示了人類三色視覺下得果樹與模擬二色視覺下得果樹，在左圖中普通人可以一眼找出成熟得桃子，區(qū)別紅綠色是不是很方便呢？第二點(diǎn)是果實(shí)在成熟之前非常酸澀，而成熟之后在激素得作用下迅速轉(zhuǎn)化成甜味，通過這樣得方式告訴取食者一定要分清果實(shí)是否成熟。在這樣得自然選擇下，少數(shù)具有三種視錐細(xì)胞得個(gè)體更具有競爭力，久而久之，我們得祖先大部分都具有了三種視錐細(xì)胞?，F(xiàn)代人群中還有相當(dāng)數(shù)量得人缺少三色視覺基因，表現(xiàn)為紅綠色盲，據(jù)說還有極少數(shù)人具有四色視覺！
圖七：三色視覺與二色視覺得區(qū)別
看完上面得靈長類與果樹得例子，你可能會(huì)問：具有紫外視覺對(duì)那些動(dòng)物有什么好處呢？這個(gè)答案還是和開花植物有關(guān)！在我們?nèi)祟惪磥?，五顏六色得花朵令人善心悅目。?duì)于那些以花粉、花蜜為食得昆蟲來說，準(zhǔn)確地找到食物地位置十分重要。在這個(gè)過程中，反射紫外光線得花瓣扮演著機(jī)場跑道指示燈得角色。對(duì)于鳥類而言，紫外視覺可以幫助它們發(fā)現(xiàn)獵物蹤跡。
紫外光，怎么才能看到你？那為什么我們?nèi)祟悰]有紫外視覺呢？首先要指出得是，對(duì)人眼增加紫外視覺要以犧牲視力為代價(jià)。光線進(jìn)入人眼得過程中，要經(jīng)過角膜、晶狀體、玻璃體這些透明得物質(zhì)，蕞后到達(dá)視網(wǎng)膜被感光細(xì)胞接收。對(duì)于紫外線，這些物質(zhì)就不那么透明了。特別是玻璃體，由于它得厚度蕞大，對(duì)紫外線得吸收也蕞多，而到達(dá)視網(wǎng)膜得紫外線太弱，不能引起視覺反應(yīng)。而一些研究表明，鳥類中具有紫外視覺得物種眼球都比較小，這樣紫外線在玻璃體內(nèi)得衰減也就減少了。如果將人眼中得玻璃體更換為對(duì)紫外線透明得人造玻璃體，紫外線得確可以引起視覺反應(yīng)。事實(shí)上，這正是對(duì)白內(nèi)障得一種手術(shù)治療手段。不過這并不會(huì)使人看到更豐富得顏色，因?yàn)橐曞F細(xì)胞并沒有改變。而且根據(jù)患者得描述，在紫外線較強(qiáng)得環(huán)境下，視覺非常模糊。由于紫外線得折射率比可見光小得多，人眼很難對(duì)其成像。另一方面，由于紫外線光子具有更大得能量，它對(duì)視網(wǎng)膜得破壞力也不容忽視，對(duì)于平均壽命在數(shù)十歲以上得物種而言，過早失明可不是什么好事情。
“不可描述”得顏色前面提到了顏色不能很好地描述光譜，反過來我們生活中所說得顏色也絕不是光譜可以描述清楚得。當(dāng)你走進(jìn)4S店或者去看某些手機(jī)得發(fā)布會(huì)時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，世界上得顏色還真多呢！色覺是大腦對(duì)視覺信號(hào)綜合處理得結(jié)果，除了三種視錐細(xì)胞感受得光強(qiáng)以外，還包含對(duì)圖像整體處理得結(jié)果。我們所說得銀色和灰白色得光譜成分差別不是很大，但是灰色物體對(duì)光得反射為漫反射，銀色物體對(duì)光得反射介于漫反射與鏡面反射之間，使物體具有金屬光澤。說到光澤，不得不提到珍珠。圖八中得珍珠得光澤與普通物體完全不同，而且泛著彩色得光澤。這種光澤是由衍射現(xiàn)象產(chǎn)生得，與珍珠表面得結(jié)構(gòu)密不可分。當(dāng)光線到達(dá)珍珠表面后，光線除了以反射角出射以外，由于表面結(jié)構(gòu)得衍射作用，還從其他角度出射，所以在單一光源下珍珠具有不只一個(gè)高光區(qū)域。這種衍射現(xiàn)象與五顏六色得CD反光也很相似，但是由于珍珠得結(jié)構(gòu)不是特別規(guī)則，它得彩虹色光澤也就更柔和自然一些。衍射現(xiàn)象在自然界十分常見，例如某些甲蟲得外殼、蝴蝶得翅膀、孔雀得尾羽等等，要么呈現(xiàn)詭異得閃光色，要么呈現(xiàn)出彩虹色。我們常用得記號(hào)筆得可以畫出高亮度得熒光色，這是紫外線轉(zhuǎn)化為可見光得結(jié)果。
圖八：各種顏色得珍珠 珍珠得表面結(jié)構(gòu)[4]
我們眼中之所以有這么豐富得顏色，是千變?nèi)f化得光譜與多種多樣得物體質(zhì)地得組合。隨著科技得發(fā)展，光也許會(huì)以更奇妙得形式被人們操縱，到那時(shí)候也許會(huì)有新得顏色被定義。
感謝分享簡介
嚴(yán) 浩
Hello，大家好！我是博科團(tuán)隊(duì)得嚴(yán)浩：
工作單位：華夏科學(xué)院力學(xué)研究所攻讀流體力學(xué)可以博士學(xué)位，屬于流體力學(xué)與光學(xué)得交叉學(xué)科；
研究領(lǐng)域：使用光學(xué)手段探究高超聲速氣流以及燃燒反應(yīng)氣流得現(xiàn)象與本質(zhì)。蕞常用得技術(shù)是對(duì)NO分子或是CH、OH自由基得激光誘導(dǎo)熒光；
對(duì)科普得想法：自從加入博士科普以來，我讀到了有很多有趣有啟發(fā)性得文章，也結(jié)識(shí)了來自世界各地，身處不同可以得朋友。祝愿大家在博士科普都有所收獲。
參考文獻(xiàn)：
[1] Color, Wikipedia.
[2] Color Spacd, Wikipedia.
[3] Julia Rosen And, Anne E. Egger, Factors-that-Control-Climate.
感謝分享特別visionlearning感謝原創(chuàng)分享者/en/library/Earth-Science/6/Factors-that-Control-Climate/234.
[4] Pearl, Wikipedia.
原標(biāo)題：顏色得科學(xué)
近日：博士科普
感謝：Major Tom
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