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Revolucion/文 2015年安徽高考的作文题目是这样的： 通过这台可以看清纳米尺度物体三维结构的显微镜，同学们惊奇地发现：原本色彩斑斓的蝴蝶翅膀竟然失去了色彩，显现出奇妙的凹凸不平的结构。 原来，蝴蝶的翅膀本是无色的，只是因为具有特殊的微观结构，才会在光线的照射下呈现出缤纷的色彩…… 好啦，别说蝴蝶翅膀，你就算拿一桶颜料来，在电子显微镜下也看不到颜色的啊……颜色是光带来的现象，而电子显微镜顾名思义是用电子的，成像效果默认都是灰色，那些彩色照片都是算法生成的伪色。 但蝴蝶翅膀到底有没有颜色呢？ 简单地说，有。蝴蝶翅膀的颜色有两个来源，其一是色素“本身”的颜色，其二是鳞片表面特殊结构产生的颜色。 但要详细讲的话……可就多了。 颜色，是生物对于光的主观感受颜色是一个生物学概念，只存在于生物的眼睛和大脑之中。物理世界是没有颜色这回事儿的；它有的，叫做“光谱功率分布”（spectral power distribution, SPD）。 简单地说，光谱功率分布描述了光的“成分”。光是一种电磁波，正如声波一样，它可以是单一频率的波，也可以是多种不同频率的组合。把每一种频率和它们的“强度”都列出来，就得到了一个光谱功率分布。 而一个有眼睛的生物，就能把光的成分换算成“颜色”。但是，这个换算并不是一一对应的。完全不同的成分，可能看起来给人的感觉一样，比如红光和绿光叠在一起会让人觉得看到了黄光。毕竟眼睛不是光谱仪。 为什么会产生这样的错误判断？因为人的眼睛只有三种感受色觉的细胞。 下图是人眼睛中的三种色觉细胞。 假如你看到波长为550nm的单色光，它对于L和M引发的刺激都同样强烈，而S没有反应，你的大脑将这种状态理解为“黄”。 但如果你看到波长为534nm和564nm的光同时射过来，同样会产生“LM一样强，S没有”的状态，也会觉得这是“黄”。 正因为我们的眼睛比较弱，所以显示器和打印机用寥寥三种成分就可以欺骗眼睛，模拟出自然界大部分东西的颜色感受，而不需要真的发出每种物体“本来”的光线成分。 不过，假如有一种生物比我们多出第四个感受器（比如濑尿虾），或者哪怕是它的感受器分布和我们不一样（比如鸟类），在它看来，这就可能是两种不同的颜色了。反过来，如果有的生物感受器比我们还少（比如狗），那就是我们能分辨的颜色，它们看来都一样。 甚至不同的人之间，对于颜色的判断都可能有所差异——毕竟颜色是一个主观感受，我们也许永远无法知道别人眼中的550nm光到底会产生什么样的感觉。但即便如此，国际照明委员会还是设立了一个标准规范，诸如RGB、CMY这样的颜色体系，就是建立在这个规范的基础上——用三个数字来表示一种颜色。 颜色和光源，脑补的力量颜色的来源当然是光，但光的来源呢？ 自然界的东西可以简单分成两类，要么自己发光，要么自己不发光。对于前者（比如电脑显示器），发出来什么样的光，那就是什么样的颜色；而对于后者（比如印刷品、花、蝴蝶翅膀），那就取决于什么样的光照上去、又有什么样的光反射或者透射回来。 最重要的光源是阳光。阳光里各种波长的可见光都会有一些。因为在人类数百万年演化史里，绝大多数时候阳光是唯一的强光源，所以当我们说一件衣服是“红色”的时候，说的其实是“如果把它放在太阳光下，那么它反射回来的光，会让人的眼睛和大脑觉得是红色的”。 如果把它放在别的光下，就会产生其他的颜色感觉，但是我们的大脑有补偿机制，会试图判断光源的状态，然后光源和反射光相减，从而想象出衣服在正常阳光下“应该”是什么样的。假如你在烛光晚餐，白盘子里盛着黄色的意面，你会觉得意面也变成了白色——你知道光源是黄色的，白盘子在黄光照耀下发黄，因此你会认为意面的黄色不是本来的颜色，也是光源的结果，减掉光源也成了白色。 但是，如果光源的信息不足，比如只看到了一张照片，那么不同的人脑补出来的光源就可能不一样，从而相减之后对这件衣服的颜色判断也不一样——这就是为什么有的人看到白金裙子，有的人看到蓝黑裙子。 假如你脑补出来的光源是阴暗的，相减之后就会认为这是白金裙子；假如脑补出来的光源是明亮的，相减之后就会认为这是蓝黑裙子。图片来源：xkcd 而刨除所有这些干扰因素，只考虑物体本身反射光的能力的话——这才终于到了蝴蝶翅膀本身。 色素色和结构色，都是“真”的颜色如果是一个普通的不透明物体，光线照射上去会有一部分被吸收、另一部分被反射回来。具体哪些被吸收，主要取决于物质分子里的化学键——有些化学键里的电子所处的状态非常容易吸收特定波长的可见光，而剩下其他波长就会反射回来产生颜色的感觉。能起到这样效果的物质就是色素，这样的颜色被称为色素色或者化学色。 但是还有一些物体不那么普通，它表面有特殊结构，让光线反射出来的时候不是胡乱反射，而是发生干涉，从而改变光的成分。这样的结构通常是纤细的平行薄层，层之间的距离和光的波长相当，这样反射出的平行光之间就会有干涉。和色素色不同的是，干涉效果和观看的角度有关系，所以往往会显示出光泽或者虹彩的效果——但也有些鸟类的羽毛上有小气泡，起到散射效果，把虹彩抵消掉。这样的颜色，叫做结构色或者物理色。 蝴蝶鳞片的示意图。图片来源：asknature.org |
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