太陽光譜中沒有粉紅色,為何我們能夠看到這種顏色?

2020-12-22 優美生態環境保衛者

來自太陽的光線,即給我們提供光明和溫暖,同時又讓我們的眼睛觀察到了色彩繽紛的世界。早在幾百年前,偉大的物理學家牛頓就曾利用稜鏡,將太陽光線發散為七種不同顏色的單色光,從而讓人們更加相信太陽光是由不同頻率的電磁波所組成的複合光這一事實。然而,我們無論是從三稜鏡中看到的發散光、還是在太陽光譜圖中看到的不同顏色,都沒有粉紅色這種顏色,但是我們在現實世界中是明明可以看到粉紅色的物體,這到底是怎麼回事呢?

首先我們來看一下太陽光線的由來。簡單來說,太陽的光線是一種從太陽表面發射出來的電磁波,主要由不同頻率的光子所組成,而這些光子則是太陽內部氫元素核聚變的產物。在太陽內核1500萬攝氏度、上千億個大氣壓的環境中,氫原子(質子)就有一定的機率發生量子隧穿效應,從一個氫原子核「鑽入」另外一個氫原子核中,從而與另外的質子組合形成新的原子-氦核,從而激發質子-質子鏈式反應,推動太陽內部持續發生「溫和」的核聚變,在此過程中向外釋放出一定量的伽馬光子、中微子和能量。

由於太陽內部的高溫高壓環境,其物質組成都是呈高密度的等離子狀態,那些因核聚變產生的伽馬光子,則會在生成後的瞬間又被其它物質所吸收,在為這些物質提供一定能量的基礎上,在微觀粒子能級躍遷時重新釋放出光子,就這樣光子在太陽內部經歷了不斷地被吸引和釋放的過程,這個過程經歷的時間越長,則光子到達太陽表面以後的能量就會越低,所形成的光線頻率就會越小、波長越大。如果光子非常幸運,在從內核到表面經歷的時間較短時,則能量的損耗就會越小,所形成的光線頻率就會越高。因此,最終從太陽表面釋放出來的光線,是由頻率由高到低的不同電磁波所組成的複合體,即伽馬射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、無線電波等。

我們人眼所能接收到的太陽光線,實際上只是波長在380-780nm之間的可見光部分。而這部分可見光根據頻率的不同,在光譜中又可以呈現紅橙黃綠藍靛紫這七種顏色,所以可見光也是一種複合光。

在我們人眼的視網膜中存在著許多視杆細胞,它們可以很敏感地感知外界光線的強弱,外界的光線通過眼球的折射落在視網膜上的過程,就相當於凸透鏡成像的原理,在視網膜上成了一個實像,然後視杆細胞就會通過視神經系統向大腦神經中樞傳遞相關的光線明暗程度的信息,我們就能分辨出物體的明暗程度以及具體的輪廓。

同時,我們人眼視網膜內還有另外一種視覺細胞-視錐細胞,這種細胞主要負責的就是識別物體的顏色。人眼中有三種視錐細胞,分別負責感應紅、綠和藍三種顏色,也就是說這三種顏色是人眼識別物體色彩的最基礎「底色」。當太陽光照射到一個物體上時,根據物體表面情況和材質的不同,它會對太陽光進行有選擇性地吸收,那些沒有被吸收的色光進入人眼後,就會在眼中呈現相應的顏色。對於紅色、綠色和藍色這三種「基色」來說很好理解,那就是除了對應的基色之外,其餘顏色都被物體所吸收,視網膜上對應的視錐細胞被激活,從而發送出相應的視神經刺激信號,我們就看到了紅色、綠色藍色的物體。

如果外界物體發出或者反射的光線,進入人眼之後對於三種視錐細胞的刺激程度不同時,就會呈現出這三種顏色以外的色彩被視神經所感知,比如三種視錐細胞都被激活時,我們看到的就是白色;當綠色和紅色視錐細胞刺激程度相同而藍色視錐細胞沒有激活時,我們看到的就是黃色;紅色和藍色視錐細胞刺激程度相同而綠色視錐細胞沒有激活時,我們看到的是品紅色。這三種視錐細胞當被激活的程度不同時,我們人眼所感知的顏色就會呈現三種基色的疊加,於是形成更多豐富多彩的顏色。

至於粉色的形成,則是負責感知紅色的視錐細胞完全被激活,而藍色、紅色視錐細胞只被部分激活,同時在視杆細胞對於光強強度的感應配合下,呈現出了沒有在光譜中存在的粉色。因此,我們能夠看得到的顏色,完全取決於自身的生理機能,即視錐細胞的「能動性」,外界事物本身的色彩則是客觀存在的,相當於輸入端,而在輸出端所產生的結果,則是視錐細胞作用的結果。像色盲或者色弱的患者,其眼球內的部分視錐細胞缺失或者不健全,造成了對不同色光感應能力的不足,從而辨別不出相應的顏色。而對於那些少數具有四種視錐細胞的人們、以及擁有較多視錐細胞的鳥類來說,所看到的外界顏色要比正常人類複雜得多。

綜上所述,我們可以得出這樣的結論,那就是外界的顏色並不完全由光線本身所決定,更重要的是,它是通過不同視錐細胞所形成的光刺激信號,最終傳輸到大腦中處理反饋的結果。

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  • 為什麼植物以綠色為主,而不是其他的顏色?
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    光的顏色其實和人類的健康有關:(1)白光黃光影響晝夜節律:大腦中有個視交叉上核,它能接受外來光線和身體訊息,以協同自律神經系統支配褪黑激素和腎皮脂類固醇的分泌。大腦內的松果體會在睡前釋放適量的褪黑激素以提醒我們睡覺時間已到,光線即以此方式影響晝夜節律。光的顏色會影響褪黑激素的分泌。白光裡包含的藍色光譜較暖黃光多,在照射白光時會抑制褪黑激素的分泌,讓人有清醒的感覺。
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    高光譜遙感是一種光學成像手段,本質上是模擬人和動物的眼睛。人的眼睛能夠感知物體的顏色、紋理,從而辨識物體的材質;響尾蛇的熱眼能夠感知高溫物體向外釋放的紅外線,從而快速定位獵物。而高光譜成像則是一套光譜維度的電磁波顯微鏡,它用納米級的解析度覆蓋了從可見光到紅外光範圍內物體反射或者輻射的電磁波。