光有顏色嗎?其實世界本無顏色,顏色只是我們自己大腦產生的幻覺

2020-12-11 失落代號

上過初中的朋友都知道,使用三稜鏡可以將白色的太陽光分解出來(也叫光的色散),變成七彩繽紛的顏色:紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫,也就是彩虹的顏色,確實非常神奇驚豔。

三稜鏡

從三稜鏡中將光演變成七彩顏色,這不僅是大自然的美麗,也是人類智慧的傑作。為什麼我們肉眼看見的太陽光都是白茫茫的一片,而通過三稜鏡就可以分解為各種彩色呢?莫非是眼睛欺騙了我們,還是我們的眼睛存在不足呢?

三稜鏡分解出的光

光在真空中傳播不僅速度是最快,而且路線也是直的,但是進入到介質以後,光就會發生偏折,也就是我們所說的折射。比如光從空氣進入水面、進入玻璃面,都不是一條直線直直進入的,而是會在兩種介質交界面發射折射。光從空氣射入三稜鏡,就會在三稜鏡裡面發生第一次折射(偏折),從三稜鏡出來時,又會發生一次折射。

三稜鏡色散

我們知道,自然界中的光是由各種單色光合成的,我們稱之為複色光(光為什麼有顏色,我們在後面再講)。光的顏色是由光的頻率(波長)決定的,這些複合光中各單色光的頻率不一樣,因此它們具有不一樣的顏色,當他們混合一起的時候,就顯示為白色。頻率最小的是紅色光,頻率最大的則是紫色光,但是它們在真空中的傳播速度都一樣,均為光速u。

從波長與波速的公式λ=uT(u為波速、T為周期),以及頻率與周期公式T=1/f可知,頻率越高,則波長越短。那麼頻率最小的紅色光它的波長是最長的,可以達到800nm;而頻率最大的紫色光,它的波長是最短的,最多只有400nm。

不同波長光通過玻璃的變化

我們知道不同顏色的光,它們的頻率是不同的了,那麼這些不同顏色的光在進入另一種介質時候,它們的折射又是怎樣的呢?對同一種介質,光的頻率越高,介質對這種光的折射率就越大,也就是說在7種顏色光中,折射率最高的是紫色光,最低的是紅色光。折射率最大的,出三稜鏡後往下偏折的角度就越大,所以我們看到通過三稜鏡的光最下面的是紫色光,最上面的是紅色光,當然彩虹的顏色也是這個順序。

大自然雙彩虹

為什麼只有三稜鏡可以分解光,而普通的玻璃磚塊卻不可以呢?由於普通的玻璃磚是一個矩形結構,兩邊對稱,當光進入玻璃磚時候,發射了折射,在玻璃裡面分解了光,也就是發射了色散。但是在光從玻璃另一面出去的時候,光又發生了一次折射,進入玻璃時候光的折射角小於入射角,而離開玻璃的時候度折射角大於入射角,這就導致了光線從玻璃磚出來後和進來前是平行的!進去時候分解了光,出去時候又複合了,等於沒有分解,你就看不到了!

光通過玻璃磚塊光路

而三稜鏡不是對稱的界面,當光從空氣進入三稜鏡一個界面,再從另一個界面出去時候,對於射出界面的法線(垂直於介質表面的虛擬線)而言,光線的入射方向換了個位置。雖然光入射三稜鏡的時候折射角小於入射角,出去的時候折射角也是大於入射角,但是由於入射方向變了,就等於光兩次折射不是抵消,而是疊加的。這樣從三稜鏡出去的光折射效果就很明顯了,而通過玻璃磚是兩次折射抵消。如果用坐標表示,上述光的入射過程如下:如果以法線為y軸,介質界面為x軸,光入射三稜鏡的時候,光從第四象限進入,第二象限出去;但是出去的時候,變成光從第二象限發出,從第一象限出來,詳見下圖。

光通過三稜鏡光路

光的折射率與光的頻率是有關係的,它們的關係又是怎樣的呢?法國科學家柯西就曾經列出了一個公式表示它們的關係:

n(f)=a+bf^2+cf^4(其中n(f)為折射率,f為頻率,a、b、c為柯西色散係數)

這是一個很複雜的求算過程,因此一般人只要知道折射率與頻率相關就可以,並且頻率越高,折射率越大。

彩虹

光為什麼有各種顏色,這是因為光是由不同波長的電磁波組成的(光是一種電磁波),而我們眼睛之所以看到顏色,這是因為我們眼睛中有一種叫做視黃醛的東西,它能反應給我們大腦產生視覺顏色。視黃醛對部分的光有反應,而且會因為光波長不同而反應不同,從而將它的不同反應結果通過神經傳遞給大腦,我們大腦也就有了各種不同的顏色視覺。因此,並不是光具有顏色,而是光射入眼睛後,眼睛的結構讓我們大腦出現了顏色。從某個意義上說,顏色只是人大腦的幻覺。

平行彩虹

在科學未揭開這個世界的真實面貌前,我們肉眼看到的或許只是這個世界的假象。因此在探索自然的路上,耳聽未必為實,眼見未必為真,只有通過科學的方法、細緻的觀察、嚴格的邏輯才能逐漸找到它們本來的面目。

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