是时候揭秘了：颜色的科学全解析
颜色的科学探索
严浩
中国科学院力学研究所
视觉、光、颜色、波长——这些元素编织了你眼中的多彩世界。嘿，还记得童年第一次拿起画笔的时刻吗？你是否好奇，为什么世界如此绚烂？今天，就让我们一起揭开颜色背后的科学面纱！
图一：多彩铅笔，颜色的起点
颜色到底是什么？
颜色是光进入眼睛后引发的感觉。你一定知道，光是一种电磁波。人类视觉能感知的波长在400纳米到700纳米之间。千差万别的色彩，源于不同波长光的能量差异。大脑处理眼睛接收的光信号，将其归类为红、橙、黄、军绿、深空灰、土豪金等色彩。说到感光，离不开视网膜上的视锥细胞。人眼通常有S、M、L三种视锥细胞，如图二，它们分别敏感于短、中、长波段的光。例如，650纳米的长波光主要激发L细胞，让你看到红色；590纳米的光同时激发L和M细胞，产生黄色视觉。
图二：三种视锥细胞的敏感曲线[1]
万紫千红从何而来？——复合光的魔法
以上只是单色光的原理，如果光包含多种光谱成分，就是复合光。常见屏幕只有红、绿、蓝三色像素。如图三，当红绿像素同时点亮，你就看到了黄色。这种复合黄光与590纳米单色光几乎无异。红绿蓝三色两两组合，还能生成品红与青色；三者同亮，便是白色。通过不同亮度搭配，它们能创造上百万种色彩。
图三：红绿蓝三原色的混合效果[2]
图四的彩色区域展示了人眼在相同亮度下能感知的所有颜色。弧线代表单色光，直线是从红到品红再到蓝的过渡色，因涉及S与L细胞同时激发，直线上的光必为复合光。边缘色彩鲜艳，越近中心越淡，最中心是白色。例如从右下角向中心移动，你会经历鲜红、粉红到白色的渐变。此图不体现深浅，故无深红、黑色等。sRGB三角是许多高端屏的色彩空间，理论上能显示三角内所有颜色，实际效果取决于三原色的纯度。
图四：自然界颜色与色彩空间的关系[2]
如果你有绘画经验，可能认为红黄蓝三颜料可调万色。接近正确，但这三种颜料应是品红、黄和青色，即图三中任意两色叠加所得。与sRGB类似，CMYK（青、品红、黄、黑）色空间也无法呈现所有颜色，其范围类似图五的五角形区域。
图五：印刷用的品红、黄、青三原色[2]
白色也有千差万别？
聊聊白色。太阳光呈白色，由红橙黄绿蓝靛紫复合而成，但混合比例如何？图六展示太阳从红外到紫外光谱。外包络线是太阳发射光谱，经大气吸收散射后，地面光谱如内层所示，能量峰值恰在绿色区域。除可见光外，太阳在近红外和紫外波段也有显著能量。
图六：太阳光谱[3]
身边白色物体对比，常现泛蓝或泛黄。例如，灯泡光偏黄，荧光灯更白。白色可用色温描述，即高温黑体辐射光的颜色。想象炼钢场景：刚出炉热钢红如2000 K色温；约3000 K液态钢白中带黄，似灯泡光；而科教片中淡蓝恒星，表面超7000 K，高于太阳。白色中，偏黄色温低，偏蓝色温高，这与冷暖色定义相反。
上述白色光源中，灯泡靠电流加热灯丝发光，色温等同灯丝温度。但荧光灯属冷光源，通过电子与汞原子作用产生紫外线，激发红绿蓝荧光物质生成白光，许多LED灯原理类似。尽管同是白光，因光谱成分缺失，物体色彩可能失真。假设某黄色物体只反射590纳米光，在荧光灯下因该波长光少，颜色便暗淡不自然。所以，荧光灯下拍照或用手机屏补光并非佳选。
黑，真的是黑吗？
今后若有人提白色，你或需问：你说的白是什么白？同样，眼前的黑未必真黑。见过红外监控摄像机吗？它悄发红外线照明，拍摄红外影像，只是你难见红外线。紫外线亦同，人眼不敏感，纯紫外光下仍觉漆黑。但紫外线有一关键不同：它与物体作用易转为可见光。紫外线光子能量高，被吸收后可通过荧光过程产生低能可见光光子，被人眼接收。（大多荧光过程中，释放光子能量不高于吸收光子，故低能红外光难转可见光。）例如，紫外验钞灯光看似暗，因光谱主为不可见紫外线加少量蓝紫光。当紫外线在防伪区荧光转为可见光，该区便显特别亮。鸟类等动物具红外或紫外视觉，它们眼中的世界大不相同。
动物的色彩王国
人类为何有此视觉？图六太阳光谱显示，可见光波段太阳光最强，在此产生视觉最高效。色觉依赖视锥细胞种类。许多动物如大多数爬行类、鸟类和昆虫拥有四种视锥细胞，具四色视觉，能感知更丰富色彩。但进化中，多数哺乳动物失去部分视锥细胞及辨色力。除灵长类外，陆地哺乳动物多有两种视锥细胞，而许多海洋哺乳动物甚至无法辨色。人类为何有三种？这与开花植物密不可分。想象猩猩在森林游荡，以果为食，饱后扔出果核。植物利用此习传播种子，避免竞争。但若未熟果被采，对植物不利。故植物以两种方式引导动物采成熟果：一是果实变色，未熟时绿，成熟后变黄或红，在绿叶中鲜艳夺目，如图七，人类三色视觉下易辨熟桃，红绿色区分轻松；二是未熟果酸涩，成熟后转甜，以此告知取食者辨成熟度。此自然选择下，具三色视觉个体更具优势，渐成主流。现代人群中有相当比例缺乏三色视觉基因，表现为红绿色盲，据说还有极少数人拥有四色视觉！
图七：三色视觉与二色视觉对比
看完灵长类与果树例，你可能问：动物具紫外视觉何益？答案仍关联开花植物！人类眼中，五彩花朵赏心悦目。但对以花粉花蜜为食的昆虫，精准定位食源至关重要。此过程中，反射紫外光的花瓣如机场跑道指示灯。对鸟类，紫外视觉助其发现猎物踪迹。
如何看见紫外光？
为何人类无紫外视觉？增加紫外视觉会牺牲视力。光线入眼，经角膜、晶状体、玻璃体等透明物质，终达视网膜被感光细胞接收。对紫外线，这些物质透性降低。尤是玻璃体，因厚度大，吸收紫外线最多，抵视网膜紫外线太弱，难引视觉反应。研究表明，具紫外视觉鸟类眼球多较小，减少紫外线在玻璃体中衰减。若将人眼玻璃体换为紫外透明人造体，紫外线确可引发视觉反应。这实为白内障一疗法。但这不增色彩丰富度，因视锥细胞未变。且据患者描述，紫外线强环境下视觉模糊。因紫外线折射率远低可见光，人眼难对其成像。另，紫外线光子能量大，对视网膜破坏力强，对平均寿命数十年物种，过早失明非益事。
超越光谱的“颜色”
前文提及颜色难完美描述光谱，反之，生活所言颜色也非光谱可全括。当你走进4S店或看手机发布会，会发现颜色何其多！色觉是大脑处理视觉信号的综合结果，除三种视锥细胞感受光强，还含图像整体处理。银与灰白色谱成分差不大，但灰物体反射为漫反射，银物体反射介乎漫反射与镜面反射间，呈金属光泽。说到光泽，必提珍珠。图八中珍珠光泽独特，泛彩色光。此光泽由衍射产生，与珍珠表面结构紧密相关。光线达珍珠表面后，除反射角出射，因表面结构衍射，还从多角度出射，故单光源下珍珠有多高光区。此衍射现象与CD反光相似，但因珍珠结构不规则，其彩虹光泽更柔和自然。衍射在自然界常见，如某些甲虫壳、蝴蝶翅、孔雀尾羽，或呈诡异闪光色，或显彩虹色。常用记号笔可画高亮荧光色，是紫外线转可见光结果。
图八：多彩珍珠及其表面结构[4]
眼中丰富色彩，是千变光谱与多样质地的组合。随科技发展，光或被更奇妙操控，那时或有新颜色定义。
现在，你对颜色的认知是否刷新？从四色技术到动物视觉，色彩科学无处不在。下次目睹彩虹或挑选手机时，想想背后的科学吧！分享你的色彩体验，一起探索这个缤纷世界！
作者简介
严浩
大家好！我是博科团队的严浩：
工作单位：中国科学院力学研究所，攻读流体力学博士学位，专注流体力学与光学交叉领域；
研究领域：利用光学技术探索高超声速气流与燃烧反应气流的现像与本质，常用技术包括对NO分子或CH、OH自由基的激光诱导荧光；
科普理念：加入博士科普以来，我读到许多有趣启发性文章，结识了全球各专业朋友。愿大家在科普中收获新知，激发灵感。
参考文献：
[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.
原颜色的科学
来源：博士科普
编辑：Major Tom
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