白色光是一种复合光,里面包含着不同颜色的光,这些颜色的存在就使得我们日常生活中看到了绚丽多彩的世界。
我们知道光是一种电磁波,它有不同的频率或者波长,不同的波长就代表了不同的颜色。在现实世界中,我们的眼睛只能看到一小部分的波长范围,这个范围就是可见光谱。
上图可以看到,可见光谱只占到了整个电磁波频谱的一小部分,波长范围在380nm到750nm之间。
我们的眼睛无法看到这个波长范围外的所有波段的光线。
那么光谱的可见部分有什么特别之处?为什么我们能够看到的颜色都集中在这么小的波长范围内?
首先我们要知道的是,颜色并不是宇宙的本质属性,它其实并不存在,只是在生物的感官中,不同波长的光才表现出了颜色。
如果人类不存在,甚至是地球上所有的生物都不存在,那么在整个宇宙中就没有任何生物能够看到颜色,也不会去谈论颜色。
所以颜色本身就只是人类的“发明”,在我们的眼睛里,520nm波长的光经过大脑处理以后,我们将这个波长的光解析为绿色,所以我们就认为绿色的光存在,且波长是520nm。
在地球上的其他生物,它们也不会反对我们这样定义,所以光的颜色本身就是人类根据自己的感受器官定义的。
那么我们的眼睛和大脑是如何感知颜色的?
光是能量源辐射出来的电磁波,最小单位为一个能量量子,称为光子,光子可以与带电粒子发生电磁相互作用,被吸收、反射、或者重新受激发射。
我们眼睛所看到的光子,它的来源有可能直接是光源发出的,如太阳、恒星、黑体辐射、或者化学反应,也可能是被其他物体反射出来的。
当光子进入我们的眼睛时,首先会通过晶状体然后达到视网膜,在视网膜上有两种对光线敏感的细胞,分别是视杆细胞和视锥细胞。
视杆细胞主要负责光线的强弱,而视锥细胞则是用来辨别颜色的。
在人类的眼睛里有三种不同的视锥细胞(s、m、l),这三种细胞分别对蓝光波长范围、绿光波长范围、红光波长范围的光敏感。
当人眼看到树叶反射出来的光线时,绿色视锥细胞就会被点亮,然后向大脑传递信号,大脑经过分析以后就告诉自己看到了绿色。
我们看到蓝色、红色也是同样的道理,但生活中眼睛看到的颜色并不止这三种,数量非常多,那大脑是如何分辨的?
传播进眼睛的光线大部分情况下是复合光,当三种视锥细胞被同时点亮时,大脑就会认为这是白色;红色和绿色就是黄色,绿色和蓝色就是青色。
当然其他的颜色颜色会根据视锥细胞被点亮的程度给达到传递信号,大脑经过分析就可以得出其他颜色。
所以一个正常人它就能大约分辨出大约100万种不同的颜色,我们也称为三色视者。
其他的一些动物跟人类不同,它们会有不同数量不同类型的视锥细胞。
例如狗的眼睛中只有两种视锥细胞,一种辨别蓝色区域,一种辨别黄色区域,所以狗眼睛的世界就没有我们看到的绚丽。
但是狗的眼睛中有更加丰富的视杆细胞,这使得它们可以夜晚微弱的光线下看清楚。
相对来说鸟类的眼睛就更为先进,不仅有着更好的视觉,也有着非常强的辨别颜色的能力,它们有四种视锥细胞,其中一种可以使得它们对紫外线波段的光线敏感,所以它们可以看到紫外线。
在自然界中,最为神奇的眼睛当属螳螂虾,它们拥有12种视锥细胞,能够分辨10^32种颜色,这是一个天文数字,作为人类我们很难想象螳螂虾眼睛的世界。
如果螳螂虾作为地球的主人,它们肯定会对这个世界的颜色有不同的看法。
宇宙的颜色
螳螂虾和我们人类对这个世界的颜色有不同的理解,所以颜色本身就是特定生物制造出来的概念。并不能代表可观宇宙的一部分,也不是宇宙的本质属性。
在我们人类的眼里我们看到的天空是蓝色的、太阳是黄色的、日落是红色的、草是绿色的等等,在其他生物的眼里并不一定是这样的。
所以说当我们下次在看到色彩绚丽的星云的时候,它所表现出来的颜色有可能并不是真实的,因为它的颜色取决于观察者的眼睛和大脑,或者是我们所使用的滤波器(滤镜)。
例如我们在红外波段下、X射线波段下、可见光波段下使用望远镜看到的星云颜色是不同的,那么它们的颜色到底哪种代表了真实?其实都是真的,这就是你怎样去观察。
所以说,宇宙本身没有固定的颜色,就看是哪个观察者再看,如果全宇宙没有一个观察者,那么颜色对于宇宙来说,毫无意义。
为什么我们人类眼睛看到的可见光谱集中在380nm到750nm之间?
原因很简单,是因为我们人类的眼睛是在地球上进化出来的产物,我们所看到的可见光谱范围刚好就对应了太阳光谱最强、最集中的波段。
上图就可以看出不同质量的恒星它们所发出的黑体辐射光谱曲线,而人类所看到的可见光谱正好就是太阳光谱曲线最强的部分,这并非巧合。
如果宇宙在其他行星上进化出了生命,它们有不同的母恒星,质量不同,温度不同,黑体辐射分布也不同,那么它们所看到的可见光谱的波段分为也将不同。
那么它们看待宇宙的时候,也会跟我们人类不同。它们也许会看到我们看不到红外光,也许会看到紫外光。
总结
我们所看到的颜色就是人类的自己感官感受,不同的生物会看到不同波长的光线,也会看到不同的颜色,所以宇宙本身没有固定的颜色。
假如宇宙中真的没有生物观察宇宙,那么我们可以说,宇宙本身就没有颜色。因为没人会去谈论颜色。
说到这里你可能会有不同的看法,难道我们不看宇宙,宇宙中的物质就不存在了?宇宙本身和它其中的物质确实是可观存在的,跟人看不看没有关系;
但颜色不同,颜色是眼睛和大脑的产物,所以我认为没有观察者就没有颜色。