颜德科学
严昊
中国科学院力学研究所
视觉、光线、颜色、波长
在那个遥远的童年，当你拿起画笔，尽情创作的时候，你有没有想过，为什么这个世界上有那么多绚烂的色彩？我们从科学的角度来说说这些颜色吧。
图1:彩色铅笔
那是什么颜色？颜色是眼睛接收光线的感觉。你应该听说过光是一种电磁波。对我们人类产生视觉反应的电磁波波长在400纳米(纳米)到700纳米之间。我们之所以会有不同的色觉，是因为在这个区间内，光的每个波长所包含的能量是不同的(也就是光谱成分不同)。人类对颜色的感知是大脑对眼睛接收到的光线进行加工处理，然后将这种感觉归类为红色、橙色、黄色、军绿色、暗空灰色、土豪金等。说到接收光线，我们不得不提到视网膜上的视锥细胞。一般人眼的视锥细胞有S、M、L三种，如图2所示。它们分别负责感知可见光的短、中、长波长。如果波长较长的650 nm的光进入人眼，大脑接收到的视觉信号主要来自L形锥细胞，会产生红色视觉；对于波长为590 nm的光，L型和M型视锥会产生信号，使我们产生黄色色觉。
图2:三个锥形细胞的灵敏度曲线[1]
世界充满了色彩——合成光以上讨论仅针对只含有一种光谱成分的单色光。如果光谱中有一个以上的光谱成分，则称为合成光。通常情况下，彩色屏幕只有红色、绿色和蓝色像素。如图3，当红色和绿色同时打开，亮度相等时，我们感受到的是黄色。这种黄色复合光给人的感觉和590 nm的单色光一样。绿蓝三色成对打开，还可以得到品红和青色；当三种颜色同时打开时，我们看到的是白色。当然，当这三种颜色以不同的亮度组合在一起，就有几百万种颜色。
图3:红绿蓝三原色的作用[2]
图4中的彩色区域代表人眼可以看到的亮度相同的所有颜色。这个彩色区域被一条弧线和一条直线包围。弧线上的颜色是单色光，直线上的颜色是红色到品红色再到蓝色的过渡色。因为S锥和L锥是同时被激发的，所以这条直线上的色光除了两个端点外一定是合成光。在这个区域，边缘颜色很亮，越靠近中心越亮，区域中心是白色的。比如从区域右下角到中心，会依次看到鲜红、粉红、白色。当然，这张图并不能表现出颜色的深浅，也就是说，上面没有绯红、黑色等颜色。图片中的sRGB三角形区域是许多高级显示器使用的颜色范围空。理论上，这种显示器可以显示这个三角形区域内的所有颜色。至于实际效果，就要看显示器上的红绿蓝三原色是否“纯净”了。
图4:自然界中颜色与各种颜色的关系空 [2]
如果你有一些画画的经验，你会说只要有红、黄、蓝三种颜料，就能把所有的颜色都叫出来。差不多就是这样，但有一点需要纠正的是，这三种颜料是品红、黄、青，也就是图3中任意两种颜色叠加。和sRGB一样，这个CMYK(由青色、品红色、黄色和黑色四种颜料组成)color 空不能显示所有颜色，但类似于图5中的五边形区域。
图5:用于印刷的洋红色、黄色和青色[2]
你看到了什么白色？先说白的。阳光是白色的。它由红色、橙色、黄色、绿色、靛蓝色和紫色组成。但是这些颜色的混合比例是多少呢？图6显示了太阳从红外到紫外的光谱。图中的外围是太阳的发射光谱。但是经过大气的吸收和散射，我们在地面上得到的是图中内层的光谱，这个光谱中能量最高的地方正好在绿色区域。除了可见光，太阳光谱在近红外和紫外波段也有客观能量。
图6:太阳的光谱[3]
我们身边有很多白色的物体，但是如果你把它们放在一起对比，你肯定会发现有些是蓝色的，有些是黄色的。就照明设施而言，灯泡是黄色的，而荧光灯显得更白。我们还有另一个更具体的白色温描述，即高温黑体辐射的颜色。你应该看过钢厂的照片。刚出炉的热钢是红色的，它对应的色温比较低，大概在2000 K(开尔文)左右，而3000 K左右的钢液是白色带一点黄色，和灯泡的颜色差不多。至于科教片中的巨星，它是浅蓝色的，表面温度在7000 K以上，甚至比我们的太阳还要高。对于白色来说，黄色的色温较低，蓝色的色温较高，但这与我们对冷暖色的定义相反。
就上面说的白光源来说，灯泡是通过电流在灯丝上产生高温来发光的，它的色温和灯丝的色温是一样的。但是，荧光灯就不一样了。它们是冷光源。发光的过程是先通过电子和汞原子的作用产生紫外线，然后紫外线照射在荧光物质上发出红、绿、蓝三色荧光，从而产生白色。很多LED灯也是先产生紫外线，再通过三种颜色的荧光物质产生白光。虽然都是白光光源，但是由于缺少光源的光谱成分，物体的颜色会显得不自然。假设一个亮黄色的物体只反射590 nm左右的黄光，这个物体的颜色在荧光灯下会显得暗淡不自然，因为照明光中590 nm的光谱成分很少。所以自拍的时候在日光灯下拍照或者用手机屏幕补光都不是什么好主意。
你说的黑是指哪种黑？从现在开始，如果有人跟你提到白色，你可能会问:你说的白色是什么白色？不仅如此，我们眼前的黑暗也不一定是真正的黑暗。你见过红外监控摄像头吗？在许多领域，它是一种重要的安全设备。这种相机会偷偷发射红外线进行照明，然后通过拍摄红外线进行记录，但是你很难看到红外线。同样，由于人眼对紫外线不敏感，如果光谱中只有紫外线，我们看到的仍然是黑暗的。但紫外线与红外线不同，它与物体相互作用时很容易转化为可见光。紫外光子具有较高的能量，当它被物质吸收时，通过荧光过程可以产生能量较低的可见光光子，被人眼接收。(在绝大多数荧光过程中，一种物质释放的光子能量并不比吸收的光子能量高，所以能量较低的红外光子基本不会通过这个过程转化为能量略高的可见光光子。)比如紫外线验钞机的光线看起来很暗，因为它的光谱成分主要是不可见的紫外线加上少量的蓝紫光。当这些紫外线在防伪区域通过荧光转化为可见光时，我们会觉得这个区域特别亮。有些动物，比如鸟类，有红外或紫外视觉，它们眼中的世界和我们的世界大不相同。
为什么普通人类在丰富多彩的动物世界里会有这样的眼光？从图6的太阳光谱可以看出，对于人类来说，太阳光的强度在可见光波段是最强的。这样，在这个波段产生视觉是最有效的。色觉取决于视锥细胞的类型。很多种类的动物都有四种视锥细胞和四色视觉。他们能感受到更丰富的色彩。这些动物包括大多数爬行动物、鸟类和昆虫。然而，在进化的道路上，大多数哺乳动物失去了某些种类的视锥细胞和一些辨别颜色的能力。除了灵长类动物，大多数陆生哺乳动物都有两种视锥，而大多数海洋哺乳动物连颜色都分不清。那么为什么人类会有三种视锥呢？这与开花植物有着千丝万缕的联系。在动物世界里，你可能会看到猩猩在森林里游荡，以水果为食，饱餐一顿后，把坚果扔出去。植物充分利用这种习性，将种子传播到更远的地方，避免同类的竞争。但是，如果摘了未成熟的果实，对植物来说就不值得了。因此，植物通过两种方式引导动物采摘成熟的果实。第一点是水果的颜色变化。大部分果实成熟前是绿色的，成熟后会变黄或变红，在绿叶中非常鲜艳，好像在宣传自己。第七张图片显示了人类三色视觉下的果树和模拟双色视觉下的果树。左图中，普通人一眼就能发现熟透的桃子。区分红色和绿色方便吗？第二点是果实成熟前很酸，成熟后在激素的作用下很快变成甜味。这样就告诉吃的人分辨水果熟没熟。在这样的自然选择下，拥有三种球果的少数个体更具竞争力。久而久之，我们的祖先大部分都有三种视锥。现代人群中仍有相当一部分人缺乏三色视觉基因，表现为红绿色盲。据说还有少数人有四色视觉！
图7:三色视觉和双色视觉的区别
看了以上灵长类动物和果树的例子，你可能会问:拥有紫外视觉对那些动物有什么好处？这个答案还是和开花植物有关！在我们人类眼里，五颜六色的花是善良的，赏心悦目的。对于以花粉和花蜜为食的昆虫来说，准确找到食物的位置非常重要。在这个过程中，反射紫外线的花瓣起到了机场跑道灯的作用。对于鸟类来说，紫外线视觉可以帮助它们找到猎物的踪迹。
紫外线，我怎么看得见你？那为什么我们人类没有紫外视觉？首先需要指出的是，给人眼增加紫外线视力应该是以牺牲视力为代价的。光线在进入人眼的过程中，通过角膜、晶状体、玻璃体等透明物质，最终到达视网膜被感光细胞接收。对于紫外线，这些物质的透明度较低。尤其是玻璃体，因为厚度最大，吸收的紫外线最多，到达视网膜的紫外线太弱，不会引起视觉反应。但有研究表明，具有紫外视觉的鸟类眼球都比较小，使紫外线在玻璃中的衰减减少。如果把人眼中的玻璃体换成对紫外线透明的人工玻璃体，紫外线确实可以引起视觉反应。其实这是一种白内障的手术治疗。但是，这并不能让人看到更丰富的颜色，因为视锥细胞并没有发生变化。而且根据患者描述，在紫外线强烈的环境下，视力非常模糊。由于紫外光的折射率远小于可见光的折射率，人眼很难对其成像。另一方面，由于紫外光子的能量更大，其对视网膜的破坏力也不容忽视。对于平均寿命超过几十年的物种来说，过早失明并不是一件好事。
前面提到的“无法形容”的颜色，颜色不能很好的描述光谱。另一方面，我们生活中的颜色是无法用光谱描述清楚的。当你走进4S的商店或者去参加一些手机的发布会，你会发现世界上有这么多的颜色！色觉是大脑对视觉信号综合处理的结果。除了三个视锥细胞感受到的光强外，还包含了整体图像处理的结果。银色和灰白色的光谱成分差别不大，但灰色物体对光的反射是漫反射，银色物体对光的反射介于漫反射和镜面反射之间，使物体具有金属光泽。说到光泽，就不得不提珍珠了。图8中的珍珠有着与普通物体完全不同的光泽，它有着多彩的光泽。这种光泽是衍射现象造成的，与珍珠表面的结构密切相关。当光线到达珍珠表面时，由于表面结构的衍射效应，光线从反射角之外的其他角度出射，所以珍珠在单一光源下有不止一个高光区域。这种衍射现象类似于彩色的CD反射，但由于珍珠的结构并不特殊，所以它的彩虹光泽更加柔和自然。衍射现象在自然界中非常普遍，比如一些甲虫的外壳，蝴蝶的翅膀，孔雀的尾羽等。，要么呈现奇怪的闪烁色，要么呈现彩虹色。我们常用的马克笔可以画出高亮度的荧光色，这是紫外光转化为可见光的结果。
图8:各种颜色珍珠的表面结构[4]
我们眼中之所以有如此丰富的色彩，是千变万化的光谱和各种物体纹理的结合。随着科技的发展，光可能会被人以更奇妙的形式操纵，然后可能会被定义出新的颜色。
作者简介
严昊
大家好！我是博科团队的严浩:
单位:中国科学院力学研究所，流体力学专业。它是流体力学和光学的交叉学科。
研究领域:利用光学手段探索高超声速流动和燃烧反应流动的现象和本质。最常用的技术是NO分子或CH和OH自由基的激光诱导荧光。
关于科普的思考:参加博士科普项目以来，看了很多有趣的、有启发性的文章，结交了来自世界各地不同专业的朋友。祝各位博士学有所成。
参考资料:
[1]颜色，维基百科。
[2]彩色Spacd，维基百科。
[3]朱莉娅·罗森和安妮·e·埃格合著《控制气候的因素》。
[4]珀尔，维基百科。
原标题:颜色的科学
来源:博士科普
编辑:汤姆少校
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