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如何向孩子解釋「為什麽這個世界是五彩繽紛的」?

2021-11-21知識

這個世界實際上遠比你所看到的要更加多彩。——人眼所能看到的尚且不及世界原貌的一瞬。

我們看到的世界對映到視網膜上形成二維的影像,對於影像上的每一個像素點都有一個顏色。但是,真實的情況是,對於二維影像上的每一個像素點,都應該再有一個光譜圖(spetrum)的!

這樣就是整體三維的資訊,這樣的圖被叫做hyperspetral imaging。但是,沒有任何一種光學檢測器(單一成像器材)能夠單次測量直接采集這樣的資訊的,所以必須損失一部份的資訊——將這樣的光譜圖(spectrum)轉化成一個單一的資訊:比如可以將譜圖某個特定區域的強度求平均獲得一個數碼(大多數哺乳類動物);也可以用多種檢測器對好幾個區域的強度求平均,然後再用這幾個平均值生成一個資訊(比如人類3個區域,大多數鳥類4個區域,皮皮蝦16個區域)。

對於絕大多數的哺乳類動物,比如牛、馬、羊、貓、狗等,就只有一種檢測器,所以它們看到的世界就只有黑白灰,如同黑白電視機裏面的一般。

而對於人類,則有四種檢測器,其中一種(視桿細胞)基本只在夜間使用,而對於平時所看到的顏色有主要貢獻的是三種——它們是三種不同的視錐細胞。這些視桿細胞和視錐細胞就在我們的視網膜上。

這三種視錐細胞,分別對於藍色(附近)、綠色(附近)和紅色(附近)的光最敏感,被分成稱作S視錐細胞、M視錐細胞和L視錐細胞。當光照射到眼睛的視網膜上後,就會對於這三種不同的視錐細胞產生不同程度的響應。波長短於紫光的光,和波長長於紅光的光,都對於這些視錐細胞沒有作用,這也是為何人類的可見光在波長400-780納米左右。

之所以光照會產生響應,這是因為視錐細胞中存在光視蛋白,而光照會導致連線在光視蛋白上的視黃醛從11-順式構象轉化成11-反式構象,從而產生了神經脈沖。這三種視錐細胞產生的神經脈沖一同沿著視神經被傳遞給大腦,之後在大腦中生成相應的顏色。而正是由於我們具有三種視錐細胞,我們所能辨識的顏色大約有100萬種。比如紅色的光會主要使得L視錐細胞產生神經脈沖,其次使得M視錐細胞產生少許神經脈沖,而對於S視錐細胞幾乎沒有作用,最終疊加出來的顏色就是紅色。而藍色的光會主要使得S視錐細胞產生神經脈沖,而對於另外兩種的影響較小,最終疊加出來的顏色就是藍色。此外,對於單一波長的青色光,和用綠光和藍光混合而成的青色光,雖然這兩種光的實際頻率很不一樣,但是對於三種視錐細胞能產生相同的響應,那麽我們看起來就是一樣的而無法區分。

此外,也有不少的動物能看到比我們看到的更加多彩的世界,因為它們擁有更多的"檢測器"。比如許多鳥類,相比於人類的三種視錐細胞之外,還多了一種可以看到紫外線的視錐細胞。因此,鳥類可以看到一些人類所不能看到的紫外線——所能辨識的顏色是人類的100倍!除此之外,在前文中我們提到了單一波長的青色,與綠色藍色混合而成的青色,對於人類是無法區分的。但是鳥類由於額外多了一種視錐細胞,此時它們就是可以進行區分的了。而在視覺界的王者,非屬皮皮蝦不可了——它一共有多達16種視錐細胞,那麽它眼中的世界該是怎樣的多彩呢?

總結:

這個世界遠比你所看到的要更加多彩,對於它的完全描述需要用到 hyperspectral imaging。但是對於人眼來說,所能看到五彩繽紛的世界,僅僅是這個世界的很小的一部份而已。

至於人眼為何能看到顏色,這是因為眼睛的視網膜上有三種不同的視錐細胞。正是由於它們對於不同顏色的光具有不同程度的響應,我們才能辨識100萬種不同的顏色。