是時候給你點顏色看看了：帶你揭秘顏色的科學

顏 色 的 科 學

嚴 浩

中國科學院力學研究所

視覺，光，顏色，波長

在那遙遠的童年，當你拿起畫筆盡情創作的時候，你有沒有想過這個世界為什麼有這麼多絢麗的色彩呢？下面我們就從科學的角度來聊一聊這些身邊的顏色。

圖一：彩色鉛筆

顏色是什麼？

顏色是光被眼睛接收後產生的感覺。你應該聽說過：光是一種電磁波。對我們人類產生視覺反應的電磁波的波長在400 nm(納米)至700 nm之間。我們之所以會產生千差萬別的顏色感覺，是因為這個區間中，每一種波長的光所含能量不同（也就是光譜成分不同）。人類對於顏色的感知是大腦將眼睛接收到的光線經過處理產生的一種感覺，然後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，就不得不提到視網膜上的視錐細胞（Cone Cell）。人眼中一般有S、M、L三種視錐細胞，如圖二所示，它們分別負責感受可見光中的短、中、長波段的光。如果進入人眼的是波長較長的650 nm的光，那麼大腦接收到的視覺信號主要來自L型視錐細胞，就會產生紅色的色覺；對於波長為590 nm的光來說，L、M型視錐細胞都會產生信號，使我們產生黃色的色覺。

圖二：三種視錐細胞的敏感曲線[1]

世間的萬紫千紅——複合光

以上只是針對只含有一種光譜成分的單色光進行的討論，如果光譜中存在一種以上的光譜成分，就被稱作複合光。通常的彩色屏幕只有紅、綠、藍三種顏色的像素。如圖三所示，當紅色與綠色同時開啟且亮度相等時，我們就感覺到了黃色。這種黃色複合光給人的感覺與590 nm的單色光相差無幾。紅綠藍這三種顏色兩兩開啟，還能得到品紅與青色；當三種顏色同時開啟，我們就看到了白色。當然，這三種顏色以不同的亮度組合起來，就有上百萬種顏色。

圖三：紅綠藍三原色的作用[2]

圖四中的彩色區域表示人眼能看到的相同亮度下的所有顏色。這個彩色區域由一條弧線和一條直線圍成。弧線上的顏色為單色光的顏色，直線上的顏色是從紅色到品紅色再到藍色的過渡色，由於涉及到S與L視錐細胞同時受到激發，所以除了兩個端點，這條直線上的顏色的光一定是複合光。在這個區域中，邊緣的顏色都十分鮮艷，越靠近中心越淡，而在區域的最中心就是白色。例如從區域的右下角向中心過度，你會先後看到鮮紅，粉紅以及白色。當然，這個圖並不能表示顏色的深淺，也就是說上面沒有諸如深紅、黑色等顏色。圖中的sRGB三角區域是現在很多高級顯示屏使用的色彩空間，理論上這種顯示屏可以顯示該三角區域所有顏色，至於實際效果嘛，要看顯示屏上的紅綠藍三原色夠不夠「純」了。

圖四：自然界中的顏色與各種色彩空間的關係[2]

如果你有些彩繪的經驗，你會說只要有紅黃藍三種顏料，就能調出所有顏色。事實差不多是這樣的，不過要糾正的一點是，這三種顏料是品紅、黃和青色，也就是圖三中任意兩個顏色疊加的顏色。和sRGB一樣，這種CMYK（由青色，品紅色，黃色，黑色四種顏料組成）色空間也不能表現所有的顏色，而是類似圖五中的五角形區域。

圖五：用於印刷的品紅、黃、青三原色[2]

你看到的是什麼白色？

下面要聊一聊白色了。太陽光是白色的，它由紅橙黃綠藍靛紫的顏色複合而成的，但是這些顏色是怎樣的混合比例呢？圖六展示了太陽的從紅外到紫外區域的光譜。圖中的外包絡線是太陽的發射光譜。然而，經過了大氣層的吸收與散射，我們在地面得到的是圖中內層的光譜，這個光譜中能量最高的地方正好在綠色的區域。除了可見光以外，太陽光譜在近紅外和紫外波段也有客觀的能量。

圖六：太陽的光譜[3]

在我們身邊，有很多白色的物體，但是如果你把它們放在一起對比，肯定會發現有的發藍，有的泛黃。以照明設施來說，電燈泡就是那個泛黃的，而熒光燈顯得更白一些。我們對白色還有另一種更具體的描述——色溫，即高溫黑體輻射光的顏色。你應該看過鍊鋼廠的畫面吧，剛出爐的熱鋼鐵是紅色的，對應的色溫比較低，可能在2000 K（開爾文）左右，而約3000 K液態的鋼是白色略帶點黃色，與燈泡的顏色差不多，至於科教片中巨大的恆星是淡藍色的，它的表面溫度在7000 K以上，比我們太陽的表面溫度還要高。對於白色來講，偏黃一些的色溫較低，偏藍一些的色溫較高，不過這與我們對冷暖色的定義相反。

就上面提到的白色光源而言，燈泡是通過電流在燈絲上產生高溫而發光的，它的色溫與燈絲的溫度是一樣的。但是熒光燈卻不同，它屬於冷光源，發光過程是通過電子與汞原子的作用先產生紫外線，然後讓紫外線照射到熒光物質上發出紅綠藍三種顏色的熒光從而產生白色的，很多LED燈也是先產生紫外線，然後通過三種顏色的熒光物質產生白色。雖然都是白光光源，由於光源光譜成分的缺失，物體的顏色會顯得不自然。假設某個鮮艷的黃色物體只反射590 nm附近的黃色光，那麼在熒光燈下，由於照明光中590 nm的光譜成分很少，這個物體的顏色就會顯得暗淡不自然。所以說，在熒光燈下拍照，或是自拍時使用手機屏幕補光都不是什麼好主意。

你說的黑是什麼黑？

從今以後，如果有人跟你提到白色，你也許要問：你說的白是什麼白？不僅如此，我們眼前的黑也不一定是真正的漆黑一片。你一定見過紅外監控攝像機嗎？它是很多地區的重要安保設備。這種攝像機偷偷地發射紅外線進行照明，然後通過拍攝紅外線進行錄像，只是你很難看到紅外線罷了。同樣的，由於人眼對紫外線也不敏感，所以如果光譜中只有紫外線，我們看到的還是漆黑一片。但是紫外線有一點與紅外線不同，它與物體作用時很容易轉化成可見光。紫外線的光子具有很高的能量，當它被物質吸收時能夠通過熒光過程產生能量較低的可見光光子，被人眼接收到。（絕大多數的熒光過程中，物質釋放的光子的能量不高於吸收的光子的能量，所以能量較低的紅外光光子基本上不會通過這個過程轉化成能量稍高的可見光光子）舉個例子，紫外驗鈔機的光看起來很暗，因為其光譜成分主要是我們看不到的紫外線加上少量的藍紫光。當這些紫外線在防偽區域通過熒光轉化成可見光時，我們就會覺得這個區域特別的亮。一些動物，例如鳥類，具有紅外或紫外視覺，它們眼中的世界和我們的有很大的不同。

動物的彩色世界

普通人類為什麼擁有這樣的視覺呢？通過圖六中的太陽光譜可以看出，在對於人類的可見光波段，太陽光的強度最強。這樣一來，在這個波段產生視覺是最有效的。而色覺則依賴於視錐細胞的種類。很多種類的動物擁有四種視錐細胞，具有四色視覺，它們可以感受到更豐富的色彩，這些動物包括絕大多數的爬行類、鳥類以及昆蟲類動物。但是在進化之路上，絕大多數哺乳動物失去了部分種類的視錐細胞和一些分辨顏色的能力。除靈長類以外的陸地哺乳類動物大多具有兩種視錐細胞，而多數海洋哺乳類動物甚至不能區分顏色。那麼人類為什麼具有三種視錐細胞呢？這與開花植物有著不可分割的聯繫。在動物世界中你可能會看到，猩猩在森林裡遊盪，以水果為食，飽餐之後，將果核隨手扔了出去。植物充分利用了這種習性，將自己的種子傳播到更遠的地方，避免同類競爭。但是，如果還未成熟的果實被摘走了，對植物來說可就不值得了。所以，植物通過兩種方式引導動物去採摘成熟的果實。第一點是果實顏色的轉變，多數果實在成熟之前是綠色的，而成熟之後會變黃或者變紅，這在綠葉從中非常鮮艷，彷彿是在推廣自己一樣。圖七中展示了人類三色視覺下的果樹與模擬二色視覺下的果樹，在左圖中普通人可以一眼找出成熟的桃子，區別紅綠色是不是很方便呢？第二點是果實在成熟之前非常酸澀，而成熟之後在激素的作用下迅速轉化成甜味，通過這樣的方式告訴取食者一定要分清果實是否成熟。在這樣的自然選擇下，少數具有三種視錐細胞的個體更具有競爭力，久而久之，我們的祖先大部分都具有了三種視錐細胞。現代人群中還有相當數量的人缺少三色視覺基因，表現為紅綠色盲，據說還有極少數人具有四色視覺！

圖七：三色視覺與二色視覺的區別

看完上面的靈長類與果樹的例子，你可能會問：具有紫外視覺對那些動物有什麼好處呢？這個答案還是和開花植物有關！在我們人類看來，五顏六色的花朵令人善心悅目。對於那些以花粉、花蜜為食的昆蟲來說，準確地找到食物地位置十分重要。在這個過程中，反射紫外光線的花瓣扮演著機場跑道指示燈的角色。對於鳥類而言，紫外視覺可以幫助它們發現獵物蹤跡。

紫外光，怎麼才能看到你？

那為什麼我們人類沒有紫外視覺呢？首先要指出的是，對人眼增加紫外視覺要以犧牲視力為代價。光線進入人眼的過程中，要經過角膜、晶狀體、玻璃體這些透明的物質，最後到達視網膜被感光細胞接收。對於紫外線，這些物質就不那麼透明了。特別是玻璃體，由於它的厚度最大，對紫外線的吸收也最多，而到達視網膜的紫外線太弱，不能引起視覺反應。而一些研究表明，鳥類中具有紫外視覺的物種眼球都比較小，這樣紫外線在玻璃體內的衰減也就減少了。如果將人眼中的玻璃體更換為對紫外線透明的人造玻璃體，紫外線的確可以引起視覺反應。事實上，這正是對白內障的一種手術治療手段。不過這並不會使人看到更豐富的顏色，因為視錐細胞並沒有改變。而且根據患者的描述，在紫外線較強的環境下，視覺非常模糊。由於紫外線的折射率比可見光小的多，人眼很難對其成像。另一方面，由於紫外線光子具有更大的能量，它對視網膜的破壞力也不容忽視，對於平均壽命在數十歲以上的物種而言，過早失明可不是什麼好事情。

「不可描述」的顏色

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的顏色也絕不是光譜可以描述清楚的。當你走進4S店或者去看某些手機的發布會時會發現，世界上的顏色還真多呢！色覺是大腦對視覺信號綜合處理的結果，除了三種視錐細胞感受的光強以外，還包含對圖像整體處理的結果。我們所說的銀色和灰白色的光譜成分差別不是很大，但是灰色物體對光的反射為漫反射，銀色物體對光的反射介於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。圖八中的珍珠的光澤與普通物體完全不同，而且泛著彩色的光澤。這種光澤是由衍射現象產生的，與珍珠表面的結構密不可分。當光線到達珍珠表面後，光線除了以反射角出射以外，由於表面結構的衍射作用，還從其他角度出射，所以在單一光源下珍珠具有不只一個高光區域。這種衍射現象與五顏六色的CD反光也很相似，但是由於珍珠的結構不是特別規則，它的彩虹色光澤也就更柔和自然一些。衍射現象在自然界十分常見，例如某些甲蟲的外殼、蝴蝶的翅膀、孔雀的尾羽等等，要麼呈現詭異的閃光色，要麼呈現出彩虹色。我們常用的記號筆的可以畫出高亮度的熒光色，這是紫外線轉化為可見光的結果。

圖八：各種顏色的珍珠 珍珠的表面結構[4]

我們眼中之所以有這麼豐富的顏色，是千變萬化的光譜與多種多樣的物體質地的組合。隨著科技的發展，光也許會以更奇妙的形式被人們操縱，到那時候也許會有新的顏色被定義。

作者簡介

嚴 浩

Hello，大家好！我是博科團隊的嚴浩：

工作單位：中國科學院力學研究所攻讀流體力學專業博士學位，屬於流體力學與光學的交叉學科；

研究領域：使用光學手段探究高超聲速氣流以及燃燒反應氣流的現象與本質。最常用的技術是對NO分子或是CH、OH自由基的激光誘導熒光；

對科普的想法：自從加入博士科普以來，我讀到了有很多有趣有啟發性的文章，也結識了來自世界各地，身處不同專業的朋友。祝願大家在博士科普都有所收穫。

參考文獻：

[1] Color, Wikipedia.

[2] Color Spacd, Wikipedia.

[3] Julia Rosen And, Anne E. Egger, Factors-that-Control-Climate.

https://www.visionlearning.com/en/library/Earth-Science/6/Factors-that-Control-Climate/234.

[4] Pearl, Wikipedia.

原標題：顏色的科學

來源：博士科普

編輯：Major Tom

本文經授權轉載自「博世科普」微信公眾號。原標題：《顏色的科學》。版權由原作者所有。

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（本期編輯：王 芳）

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