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如何向孩子解释「为什么这个世界是五彩缤纷的」?

2021-11-21知识

这个世界实际上远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。

我们看到的世界映射到视网膜上形成二维的图像,对于图像上的每一个像素点都有一个颜色。但是,真实的情况是,对于二维图像上的每一个像素点,都应该再有一个光谱图(spetrum)的!

这样就是整体三维的信息,这样的图被叫做hyperspetral imaging。但是,没有任何一种光学检测器(单一成像设备)能够单次测量直接采集这样的信息的,所以必须损失一部分的信息——将这样的光谱图(spectrum)转化成一个单一的信息:比如可以将谱图某个特定区域的强度求平均获得一个数字(大多数哺乳类动物);也可以用多种检测器对好几个区域的强度求平均,然后再用这几个平均值生成一个信息(比如人类3个区域,大多数鸟类4个区域,皮皮虾16个区域)。

对于绝大多数的哺乳类动物,比如牛、马、羊、猫、狗等,就只有一种检测器,所以它们看到的世界就只有黑白灰,如同黑白电视机里面的一般。

而对于人类,则有四种检测器,其中一种(视杆细胞)基本只在夜间使用,而对于平时所看到的颜色有主要贡献的是三种——它们是三种不同的视锥细胞。这些视杆细胞和视锥细胞就在我们的视网膜上。

这三种视锥细胞,分别对于蓝色(附近)、绿色(附近)和红色(附近)的光最敏感,被分成称作S视锥细胞、M视锥细胞和L视锥细胞。当光照射到眼睛的视网膜上后,就会对于这三种不同的视锥细胞产生不同程度的响应。波长短于紫光的光,和波长长于红光的光,都对于这些视锥细胞没有作用,这也是为何人类的可见光在波长400-780纳米左右。

之所以光照会产生响应,这是因为视锥细胞中存在光视蛋白,而光照会导致连接在光视蛋白上的视黄醛从11-顺式构象转化成11-反式构象,从而产生了神经脉冲。这三种视锥细胞产生的神经脉冲一同沿着视神经被传递给大脑,之后在大脑中生成相应的颜色。而正是由于我们具有三种视锥细胞,我们所能识别的颜色大约有100万种。比如红色的光会主要使得L视锥细胞产生神经脉冲,其次使得M视锥细胞产生少许神经脉冲,而对于S视锥细胞几乎没有作用,最终叠加出来的颜色就是红色。而蓝色的光会主要使得S视锥细胞产生神经脉冲,而对于另外两种的影响较小,最终叠加出来的颜色就是蓝色。此外,对于单一波长的青色光,和用绿光和蓝光混合而成的青色光,虽然这两种光的实际频率很不一样,但是对于三种视锥细胞能产生相同的响应,那么我们看起来就是一样的而无法区分。

此外,也有不少的动物能看到比我们看到的更加多彩的世界,因为它们拥有更多的"检测器"。比如许多鸟类,相比于人类的三种视锥细胞之外,还多了一种可以看到紫外线的视锥细胞。因此,鸟类可以看到一些人类所不能看到的紫外线——所能识别的颜色是人类的100倍!除此之外,在前文中我们提到了单一波长的青色,与绿色蓝色混合而成的青色,对于人类是无法区分的。但是鸟类由于额外多了一种视锥细胞,此时它们就是可以进行区分的了。而在视觉界的王者,非属皮皮虾不可了——它一共有多达16种视锥细胞,那么它眼中的世界该是怎样的多彩呢?

总结:

这个世界远比你所看到的要更加多彩,对于它的完全描述需要用到 hyperspectral imaging。但是对于人眼来说,所能看到五彩缤纷的世界,仅仅是这个世界的很小的一部分而已。

至于人眼为何能看到颜色,这是因为眼睛的视网膜上有三种不同的视锥细胞。正是由于它们对于不同颜色的光具有不同程度的响应,我们才能识别100万种不同的颜色。