物理之眼看“色”奇觀

王梓 明海

清晨，當(dāng)?shù)谝豢|金色的陽(yáng)光穿破云層，照耀到你的身上。一片片翠色欲滴的樹葉向你招手，一簇簇鮮紅的花朵向你微笑……你抬頭仰望湛藍(lán)的天空，相信會(huì)被這五彩斑斕的世界打動(dòng)。你可否想過，這么多美麗的顏色從何而來？顏色背后又蘊(yùn)含著怎樣的物理知識(shí)呢？

什么是顏色

顏色是人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的可見光的感知。光是一種電磁波，可見光則是波長(zhǎng)范圍在380～780nm內(nèi)的電磁波，超出這個(gè)范圍的光波人眼看不見，例如紫外線和紅外線。

不同波長(zhǎng)的可見光進(jìn)入人眼后，被視網(wǎng)膜上的視錐細(xì)胞收集并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，進(jìn)而被大腦感知成不同的顏色信息。例如，波長(zhǎng)在540nm左右的光被大腦識(shí)別為綠色，而波長(zhǎng)650nm左右的光被大腦識(shí)別為紅色。

顏色是人類慢慢進(jìn)化出的對(duì)不同可見光的主觀感受，很多動(dòng)物則沒有人類的這種天賦，狗眼睛里的世界就是黑白一片的。而有的動(dòng)物的辨色能力則比人類的還要強(qiáng)，孔雀就可以看見人看不見的紫外線。

顏色知覺的存在大大豐富了我們眼中的世界，人類一切的審美均基于此，這是上天賜予我們的無比珍貴的禮物。

火焰

火從遠(yuǎn)古時(shí)代就一直伴隨人類到今天，帶給人類光明和溫暖。古代，人們還將火列為組成萬物的五大元素之一，受的尊崇就可見一斑。然而火終究不是一種物質(zhì)，火是燃燒過程中釋放光和熱的一種現(xiàn)象。

燃燒是一種劇烈的氧化還原反應(yīng)，伴隨著燃燒物的氣化和大量能量的釋放。氣化的燃燒物中的電子在反應(yīng)過程中被電離進(jìn)入激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的電子躍遷發(fā)射出光波，其中的可見光就形成了火的顏色。

火焰不同的顏色來自于燃燒過程中發(fā)射的不同波長(zhǎng)的可見光，例如蠟燭的火苗呈橙黃色，天然氣燃燒則是藍(lán)色的火焰，這與不同可燃物的發(fā)射光譜有關(guān)?；鹧娴男螤畲砹丝諝庵锌扇嘉锓肿拥姆植?，火苗會(huì)隨著風(fēng)跳動(dòng)正是因?yàn)轱L(fēng)改變了可燃物分子的分布形狀。

火彩虹

雨過天晴，天邊飛出的一道彩虹，往往會(huì)令人心動(dòng)不已。如果天氣等條件允許的話，你還能一睹火彩虹的真容，景象更為壯觀，宛若童話中的盛景奇觀。

火彩虹是一種發(fā)生在大氣層中罕見的自然現(xiàn)象，看起來就像是在天空中自發(fā)燃燒的彩虹，極為絢麗奪目。

我們知道彩虹是太陽(yáng)光被大氣中的小水滴折射和反射后形成的。折射是光在進(jìn)入不同介質(zhì)表面時(shí)傳播方向偏折的現(xiàn)象。由于不同波長(zhǎng)的光折射率不同，偏折角度也不同，不同波長(zhǎng)即不同顏色的光會(huì)發(fā)生偏離，這就是色散。三棱鏡使光色散就是這個(gè)原理。

彩虹就是太陽(yáng)光被小水滴色散后形成的美麗景象。相比于雨后的彩虹，火彩虹則罕見得多。它一般發(fā)生在太陽(yáng)位于高角度位置，其光線穿過高海拔帶有較多冰晶的卷云層形成的情況下。卷云層中的冰晶正如三棱鏡一樣，折射太陽(yáng)光使不同顏色的光波分離開來形成絢麗的彩帶。由于太陽(yáng)光線射入空氣中冰晶體的角度必須維持在某一特定值范圍內(nèi)，才會(huì)產(chǎn)生出這種特殊的彩虹效果，所以火彩虹非常罕見。

幻日

傳說在古代有十個(gè)太陽(yáng)，草木皆枯，人民苦不聊生。堯命令后羿射下九個(gè)太陽(yáng)只保留一個(gè)，這便是后羿射日的神話故事。這是中國(guó)最早的幻日記載?；萌詹皇巧裨挘膊皇且环N不祥之兆，而是一種自然界的光學(xué)現(xiàn)象。

原來，當(dāng)云層中存在許多六邊形薄片狀的小冰晶，并且這些小冰晶的排布跟地面大致平行的時(shí)候，陽(yáng)光就會(huì)從薄片的側(cè)面射入，經(jīng)過兩次折射后射出，跟原來的方向偏轉(zhuǎn)了大約22度。于是，這樣的折射就會(huì)在太陽(yáng)的左右兩側(cè)各22度的地方，形成兩個(gè)幻日。

這兩個(gè)幻日實(shí)際上是太陽(yáng)的虛像，只有中間的是真正的太陽(yáng)。由于折射有色散的作用，幻日通常是七彩的。

發(fā)光的眼睛

很多夜行動(dòng)物擁有一雙在夜里會(huì)發(fā)光的眼睛，它們雙眼射出一道幽光，令人不寒而栗。我們?nèi)祟惖闹覍?shí)伴侶貓恰好就具備這種能力，不過不要擔(dān)心，它們并非被魔鬼附身，也并非眼中有發(fā)光的細(xì)胞，而是其眼底有一層可以反光的膜狀結(jié)構(gòu)，叫作照膜。

照膜位于視網(wǎng)膜的后方，可以將透過視網(wǎng)膜的部分光線重新反射回視網(wǎng)膜上，讓視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞二次接受光的刺激，從而提高了對(duì)光線的利用率，因此貓?jiān)诤诎抵械囊暳Ρ热撕玫枚唷?/p>

我們看到的貓眼發(fā)光其實(shí)就是照膜反射回來的光。雖然夜晚的光線很暗，但是貓的瞳孔很大，可以收集非常多的微弱光線并將其反射回來，因而我們就會(huì)看到黑暗的背景下閃閃發(fā)光的眼睛啦。

熒光海灘

初夏的夜晚，漫步在沙灘上，海風(fēng)攜著浪花，一遍遍地拍打著海岸。如果你不仔細(xì)看，可能都不會(huì)發(fā)現(xiàn)浪花之中閃動(dòng)著光芒。當(dāng)你踏著浪花駐足觀看，就會(huì)發(fā)現(xiàn)腳下點(diǎn)點(diǎn)藍(lán)光，宛如徜徉在星河里。

當(dāng)然，這并非真的是天上的星星墜入凡間，而是海洋中一些能夠發(fā)光的生物聚集在一起，造就了一個(gè)夢(mèng)幻的熒光海灘。這些發(fā)光生物以甲藻類生物為主，這是一類非常原始的單細(xì)胞藻類，它們的發(fā)光細(xì)胞中含有熒光素、熒光素酶這兩種發(fā)光物質(zhì)。

熒光素在熒光素酶的催化下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，并伴隨著電子的躍遷，發(fā)射出可見光。還有很多生物擁有發(fā)光的本領(lǐng)，如像一把傘的發(fā)光水母，通體熒光點(diǎn)點(diǎn)的螢烏賊，晶瑩剔透的磷蝦，它們?cè)谝雇頌榇蠛｜c(diǎn)綴上非凡的色彩，堪比夜空里的星星。

五顏六色的肥皂泡沫

我們小時(shí)候都玩過吹泡泡的游戲，將一個(gè)環(huán)狀鐵絲或空筆桿蘸上肥皂水或洗衣粉水，就能吹出有著彩色花紋的氣泡，這氣泡與我們?cè)谇缋侍鞖庀匆路r(shí)看到的氣泡是一樣的。

氣泡本是無色的，為何在太陽(yáng)光下會(huì)顯現(xiàn)出彩色呢？這其實(shí)是一種薄膜干涉現(xiàn)象。干涉是相同波長(zhǎng)的光相遇時(shí)進(jìn)行疊加的現(xiàn)象。波峰與波峰相疊加會(huì)使得干涉增強(qiáng)，波峰與波谷疊加則會(huì)干涉相消。太陽(yáng)光其實(shí)包含各種顏色的光，在進(jìn)入薄膜后在薄膜外表面和內(nèi)表面反射的光形成干涉。

由于重力的原因，氣泡表面不同的地方厚度不一樣，使得不同波長(zhǎng)也即不同顏色的光在不同的地方干涉增強(qiáng)，相反其他波長(zhǎng)的光由于干涉被削弱，因此氣泡表面不同厚度的地方會(huì)反射出不同顏色的光，好似披上了一件華麗的外衣。

變色龍

大自然中有很多五顏六色的動(dòng)物，有的還能隨意改變自己的顏色，變色龍就是其中之一。變色龍擁有神奇的變色能力，通過改變體表的顏色完美地與外界環(huán)境融為一體，令人嘆為觀止。

變色龍之所以能夠迅速地改變體色，通常的觀點(diǎn)認(rèn)為，變色龍通過色素細(xì)胞的舒張和收縮調(diào)和成不同的顏色。

然而，最新的研究表明，事實(shí)并非如此。各種生物所表現(xiàn)出的顏色可分為兩大類：化學(xué)色和結(jié)構(gòu)色?；瘜W(xué)色是由生物體內(nèi)的各種色素引起，諸如黑色素，血紅素，葉綠素，胡蘿卜素，等等，它是生物體內(nèi)實(shí)實(shí)在在的顏色。結(jié)構(gòu)色又稱物理色，它們由特定波長(zhǎng)的光線與某些納米級(jí)的結(jié)構(gòu)發(fā)生散射、干涉或衍射等作用產(chǎn)生。

變色龍能夠變色正是因?yàn)樗鼈冋嫫ぜ?xì)胞表面的一層虹細(xì)胞，通過改變這一細(xì)胞層內(nèi)部的鳥嘌呤納米晶體的排列結(jié)構(gòu)，變色龍就可以實(shí)現(xiàn)顏色的變化。當(dāng)光入射到這些納米晶體上時(shí)，不同波長(zhǎng)的光在特定方向上干涉增強(qiáng)，其他波長(zhǎng)的光由于干涉被削弱，變色龍因此顯現(xiàn)出絢爛的體色。同樣，變色龍通過改變虹細(xì)胞中的納米晶體的排列結(jié)構(gòu)，反射出不同波長(zhǎng)即不同顏色的光，從而實(shí)現(xiàn)變色。

準(zhǔn)確地說，變色龍應(yīng)該叫變形龍，它對(duì)虹細(xì)胞內(nèi)的納米晶體結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控比起變形金剛來要厲害得多！同樣因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)顯色的還有蝴蝶的翅膀。

霧凇

在我國(guó)北方的松花江岸邊，每到冬天，你會(huì)看到“忽如一夜春風(fēng)來，千樹萬樹梨花開”的美景，這就是聞名的吉林霧凇。當(dāng)霧凇出現(xiàn)的時(shí)候，漫漫長(zhǎng)堤，原本綠葉落盡的樹木華麗轉(zhuǎn)身，銀裝素裹，把人們帶入一個(gè)晶瑩剔透的冰雪世界里。這其實(shí)是凝華的物理現(xiàn)象。凝華是氣態(tài)物質(zhì)遇冷轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)物質(zhì)的物理過程。

冬天的松花江水和地面溫差常在30℃左右，江水與空氣之間產(chǎn)生了巨大的溫差，松花江源源不斷釋放出的水蒸氣遇到兩岸冰冷的樹木，便凝華形成白色松散的冰晶，這就是霧凇。

人類經(jīng)過千萬年的進(jìn)化擁有了顏色知覺，因此我們眼中的世界并非真實(shí)的世界，而是經(jīng)過大腦處理附加上了顏色信息的世界，聽起來是不是非常的有趣。更加有趣的是色彩背后深刻的物理知識(shí)，掩藏在美麗的表象后等待發(fā)掘。這一切都在告訴我們，你所見到的并非一定理所當(dāng)然，主觀臆想并不可取，勤于思考和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究才是發(fā)現(xiàn)真理的唯一途徑。