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颜色有多少种(人类还能够发现新的颜色吗)

蓝天白云、青山绿水,每个物体都有其对应的颜色,那么自然界中是否还有人类尚未发现的颜色呢?怀揣着这个疑问,科学探索菌带大家走进光与颜色的多彩世界。

阳光的颜色

有人认为阳光是橙黄色的,其实这是人类在大气层中看到的太阳的颜色。太阳的颜色取决于大气中的物质对阳光的散射情况。不同时段,人类在地球表面所看到的太阳的颜色是不同的。

地球上所有的生命都离不开阳光。阳光总在风雨后,暴雨过后见彩虹。雨后,空中悬浮着小水珠,当阳光被这些高空中的小水珠折射后,在特定的方向,地面上的人就能看见彩虹。彩虹由红橙黄绿蓝靛紫7种颜色依次排列而成,之所以存在彩虹,是因为阳光发生了色散。

颜色有多少种(人类还能够发现新的颜色吗)插图

牛顿用三棱镜再现了阳光的色散现象,表明阳光不是单色光,而是复合光。其实我们所能看见的光大部分都是复合光,而像激光这种就属于单色光。阳光在通过三棱镜后,紫光的偏转角最大,而红光最小,于是便呈现出彩色的光谱。彩虹这种自然现象背后,小水珠就相当于三棱镜。

颜色有多少种(人类还能够发现新的颜色吗)插图(1)

牛顿还发现红绿蓝三种色光是不可分解的,而将这三种色光按不同比例混合,却可以得到多种其它色光,于是人们便把红绿蓝这三种颜色称为光的三基色。这三种色光等比例混合后,会显示为白色。

颜色有多少种(人类还能够发现新的颜色吗)插图(2)

可见,太阳光是一种复合光,太阳光本质上是白色的,由7种基本色光混合而成。

光与物体的颜色

在麦克斯韦等人的努力下,人们终于发现光本质上也是一种电磁波,并且只是电磁波谱中的其中一小段。电磁波本质上并没有颜色这个特征,只有波长和频率这些特征,那么光也一样。

电磁波谱很广,而人眼只能感知到波长在380~760纳米范围内的电磁波,这个波段的电磁波被称之为可见光,是人眼可以感知到的。由于不同人对光线的感知能力存在差异,可见光的频率范围也并不十分精确。我们根据7种基本颜色,将可见光依波长从长到短划分为红橙黄绿蓝靛紫7种波段。其实,在可见光的范围之外,还存在紫外光和红外光。不做特殊说明时,通常所说的光是指可见光。

颜色有多少种(人类还能够发现新的颜色吗)插图(3)

物体都有其特定的组成成分和物质结构,物体的颜色反映了该物体吸收和反射电磁波的特性。每个物体之所以拥有特定的颜色,是因为物体所能够吸收和反射的电磁波的波长或者频率不同。不透明物体的颜色由它所反射的光决定,透明物体的颜色由它所能够透过的光决定。当所有光都被吸收,物体看起来就是纯黑色;当所有光都被反射,物体看起来就是纯白色。

颜色有多少种(人类还能够发现新的颜色吗)插图(4)

除了暗物质、黑洞和理想中的黑体,自然界中的物体都会发光,或者说都会向外辐射出电磁波。研究发现,任何温度在绝对零度(-273.15摄氏度)之上的物体都会向外辐射出红外光。红外光人眼虽然看不到,但凭借专业的仪器,我们就能够感知到它的存在。

此外,自然界中能够被我们看到的物体都能够反射可见光,除了镜面反射,绝大部分都属于漫反射。正是因为存在漫反射,我们才能从各个不同的角度看到物体的存在。就算是无色透明的物体也还是存在反光现象,不然我们不可能看见它。这个世界上并不存在完全无色透明的物体。

人眼是如何感知色彩的?

颜色的种类很多,人类是如何辨别这些颜色的呢?要想弄清楚这个问题,就需要弄明白人眼的工作原理。

要想看到这多彩的世界,除了一双正常的眼睛,还必须要有光。人之所以能看见物体,是因为人眼接收到了该物体发射或反射过来的可见光,并且这些光恰好落在了人眼的视网膜上。

眼睛是人类感知外部世界的视觉器官,人眼中有视锥细胞和视杆细胞,这些感光细胞能够将光学信号转化成生物电流,并传输给脑部负责处理视觉信号的区域,经过脑神经的加工之后,我们便看见了世界的样子。

颜色有多少种(人类还能够发现新的颜色吗)插图(5)

其中视锥细胞负责感知色彩和强光,大约有700万个;视杆细胞大约有1.2亿个,负责感知弱光。生物学家发现,正常人的视锥细胞一般有三种,每一种视锥细胞都只对特定波长的光最敏感。而人眼中的三种视锥细胞分别对三个特定波长范围内的光最敏感,人脑对这三种光分别赋予红色、绿色和蓝色的概念,于是光便拥有了颜色。人类所感知到的其他颜色,都是基于这三种基本颜色在大脑的加工下产生的。

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(上图为视觉冲动的传导路径)

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这么看来,光之所以存在三基色原理,也与人类色觉的形成原理有关。因为人只有三种感知色彩的细胞,分别对应着红绿蓝这三种不同波长的光,而其余的色彩都是在此基础上叠加复合而成的。如果人类拥有四种视锥细胞,那么将会出现“四基色”的概念。

人的视力并不是动物界中最好的,自然界中有些动物的视力就比人类强很多,它们能感知到可见光范围以外的光。某些拥有夜视能力的动物,就能够看见红外光,在那些动物眼中夜晚就如同白天一样。皮皮虾就拥有16种视锥细胞,这意味着它们能看到人眼所看不到的颜色。

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(上图为红外热成像仪下的鸵鸟照片,颜色是人为添加的)

因为基因缺陷,某些人天生会缺失某一种视锥细胞,成为色盲。对于色盲来说,他们眼中的世界与正常人眼中世界的颜色是不同的。对于拥有16种视锥细胞的动物来说,我们实在无法想象它们眼中的世界。比如人类看着是红色的苹果,在那些动物的眼里,应该还存在别的颜色。

究竟有多少种颜色?

颜色是人类对感知到的电磁波所产生的反应。说到颜色的种类,先了解一下色彩的三要素。一种颜色包含色相、饱和度(纯度)和明度三个要素。

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色相,从物理学上来说,是由射入人眼的光线的光谱决定的,本质上的差异是光的波长不同;饱和度就是色彩的鲜艳程度;明度就是颜色的明暗程度,与人眼对色彩的主观感受有关,一般光线越强,我们看到的也就越明亮。太阳光谱中有7种基本色光,而人类大概能够分辨出180种不同色相的颜色。

如果人类没有色彩感知能力,那么在我们眼中将只有黑与白的明暗变化。黑白灰虽然也称之为颜色,不过本质上是明暗变化。

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(黑白照片与彩色照片的对比)

三种基本色光按不同比例可以混合出许多种颜色,我们将三基色分别划分为256个等级,那么这三种色光混合之后就会形成1677万种颜色,这被称之为NTSC色域。科学研究表明,人眼理论上最多能够感知1000多万种颜色,我们所说的sRGB色域就恰好在人类的色彩感知能力范围内。

视锥细胞的种类越多,那么人类看到的颜色种类也将更加丰富。既然不同的波长对应着不同的颜色,理论上对光谱进行无限细分,就能产生无数种颜色。不过,从量子力学角度来看,连续两个波长之间存在最小变化间隔——普朗克长度(1.6×10^-35米),并不能无限精确。这样看来,颜色的种类也存在上限,并且生物的视锥细胞也不可能有无限多种。

总结

综上所述,颜色本质上是不同波长的光对视锥细胞的刺激,经由大脑处理后,便形成了色觉。如果我们拥有种类更加丰富的视锥细胞,就能在脑中产生更多种类的颜色概念。人眼的色彩感知能力决定着我们所能看到的颜色种类。

在人类现有的视觉感知能力上,我们已经不可能发现新颜色了,除非人类的视觉能力发生增强。其实,除了可见光会映入人们的眼帘,紫外光和红外光也会,只是人类没有相关识别能力。也就是说,从人类的角度来看,自然界中并不存在人类尚未发现的颜色。

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