第2章
看得见的和看不见的

无论是可见光还是不可见光，所有形式的光都能在电磁波谱上找到自己的位置。沿着光谱，我们可以找到许多种类和颜色的光。两个简单的特性就能将它们区分开来。

第一个是波长。光的波长短的不到1微米，长的可超过1千米，在这两个数字之间，是各种波各不相同的波长。

第二个是频率。频率的倒数是周期，也就是经过你的波被下一个波替代所需要的时间，这样说来，你就像在看台上检阅眼前的光波游行队伍一样。

想想海浪吧。海波的波长可达近百米，很长，相当于一个足球场的长度。对应的周期约为1秒。这说明每个波的波峰需要约1秒的时间通过任何给定的点，并被波谷代替，紧跟着后面又是下一个波峰。

通过波长和频率，我们可以用科学方法分辨任何波，并以此确定光的类型。例如，交通信号灯中绿灯发出的光波长约为530纳米（1亿分之53米），即100万分之53厘米；它的频率约为566太赫兹，即每秒钟有566兆个波经过你的眼前。（波长和频率数值如此接近纯属巧合，可见光中只有绿光是这样的。）

当信号灯变为红色时，你会看到波长更长的光。红光是所有可见光中波长最长的，但是这个长度仍然比人体内大多数细菌的尺寸要小得多。它振动得比绿光慢，每秒可以产生约400兆个波。重要的是，一般人眼能看到的光的波长范围是400～760纳米，或表示为4000～7600埃。光的波长一旦超出这个范围，我们就看不见它了。

短波比长波振动得快，这意味着它们拥有更多能量。可见光的能量很少，不足以破坏原子，而快速振动的光（例如紫外线）能够从原子中夺走一个或者多个电子，从而改变分子结构。对人类而言，可能会因此患上癌症或导致其他后果。

整个光谱涵盖了从无线电波到γ射线之间的所有光。通常，我们根据不可见光的波长长短，或者它们在光谱中相对于可见光的位置来对其进行命名。红外线位于光谱中的红光之后，这就表示它的波长比红光要长一些；而紫外线位于紫光之前，它的波长比紫光略短一些。

能量最少的光是无线电波。波长最长的无线电波，其波峰与波峰之间的距离能达到1609千米。相比之下，光谱上相邻的可见光之间波长差仅为100万分之1米。每秒钟有几百兆个可见光波经过你。能量最强的光是γ射线，它的波长只有1兆分之1米，频率为每秒10亿兆次，快得令人难以置信。

除了点点星光之外，几乎所有的光归根到底都来自太阳。月光是由太阳光照到月球上反射出来的。极光是高空太阳粒子流激发稀薄的氧原子和氮原子而产生的。烛光和其他各种火焰需要可燃材料，例如煤、木材和石油，而这些都来自存储在远古动植物遗骸中的能量。如果没有太阳，这些能量就不可能存在。

在现代社会，我们会用电来发光，但这同样需要燃烧石油、天然气和煤炭，或者利用水势差进行水力发电。如果没有温暖的阳光，水就无法受热蒸发，循环到更高的海拔。只有核能和星光是独立于太阳存在的。和太阳一样，其他恒星也会发出可见光和不可见光，只是两种光在比例分配上有所不同：质量大、温度高的恒星发出的光中含有大量的紫外线和蓝光；宇宙中常见的质量较轻的恒星会发出大量红光、橙光以及红外线，但几乎很少发出紫外线。简单说来，人眼只能看到太阳光中最强烈的色彩。我们的视网膜天生只适合感知阳光中最丰富的能量，所以，我们确实“更偏爱”阳光。从某种程度上说，是太阳赋予我们观察整个宇宙的视觉。

小时候，我们在科学课上学过，阳光之所以看起来是白色的，是因为我们的视网膜和神经系统混合了同时射入眼睛的各种阳光成分。白色意味着我们接收到了全部的阳光。其实，白光就是七色虹光的混合物。

实际上，如果一个科学家通过分光镜来观察并“解读”研究对象的真实色彩，那么他会发现，人眼中白色的云能呈现出生动的七彩颜色。仪器显示，白云的颜色实际上包含了红色、橙色、黄色、绿色、蓝色、靛蓝色和紫色，当这些颜色的光同时射入眼睛，我们看到的就是白色。18世纪的研究表明，即使缺少其中部分颜色的光（例如橙光和紫光），我们仍然能够看到白光。事实上，将蓝光、红光和绿光等量均匀地混合在一起就可以产生白光。它们被称为色光三原色（与颜料的三原色，即黄色、青色和洋红色，不是一回事）。所以，如果我们看到的光是白色的，那就说明我们的眼睛同时接收到了红光、蓝光和绿光。

如果这3种颜色的光非等量均匀地混合在一起，就会生成其他颜色。计算机和电视机就经常因此出现色差。例如，朋友发来一张秋叶的数码照片，你可能会从屏幕上看到叶子的一部分是深紫红色的。计算机屏幕则通过组合光来产生这种效果，比如，你看到的可能是4.5个单位的蓝色、6.5个单位的红色和1个单位的绿色混合出来的颜色。掌握了这3种颜色——通常称为RGB，即红色（Red）、绿色（Green）和蓝色（Blue）——你就可以创造出任何色彩。

有些色彩的组合结果看起来不太合理。猜猜看：怎样才能得到黄色的光？正确做法是将等量的绿光和红光混合在一起。这令很多人大吃一惊，因为我们直觉地认为红光和绿光混合，产生的应该是一种红绿色的光。然而事实并非如此。红色与绿色的等量混合光在人眼看来就是黄色的。

但是，如果你混合的不是光，而是红色和绿色的颜料，你得到的就不是黄色了，而是像泥巴一样的棕黑色，因为这种组合方法并不适用于颜料。颜料本身不会发光，我们之所以能分辨它的颜色，是因为外界的白光（例如，天花板上的灯光或者洒进窗户的日光）照在调色盘或者颜料上，颜料吸收了其中某些颜色的光，同时又反射了另外一些。例如，黄颜料之所以看上去是黄色的，是因为其化学成分吸收了白光中的蓝光，反射了红光和绿光——我们知道，红光与绿光组合在一起就是黄色的光。

颜料混合遵循的是“减法”规则。如果你画过画，那么你可能有这种失败的经历：你原本想通过混合多种颜色来创造新的色彩，结果却搞得调色盘上全是棕色。这是因为你每添加一种颜色，它就会多吸收掉一点房间里的白光，减少一点反射，最后进入你双眼的光会变得非常少。混合的颜料越多，画面就越暗。过多的颜料混合在一起会变成混浊的棕色或者黑色，因为此时几乎所有的光都被颜料分子吸收，没有任何光能反射进我们的眼睛。光的混合是另一回事。添加更多的光，你总能让图像更加明亮。

光和视觉体验之间有一种依赖关系。这一点非常重要，却鲜为人知，所以我们在这里有必要重申第1章的内容：光本身没有颜色和亮度。光只是相互垂直的磁场和电场。因此，真实的外部世界就像无线电波一样完全是不可见的。没有人的感知，“外部现实”只不过是杂乱地堆叠在一起的各种频率的能量。但是，受到看不见的频率刺激时，我们视网膜中600万个感光的锥体细胞便会对有限范围内的频率做出反应。它们会以每小时402千米的速度向视神经发出电信号，直到位于大脑后方的几千亿个神经元以连续而复杂的方式被激发。于是，大脑就感知了图像的颜色（例如蓝色）。

重点在于，“外部世界”其实是一种体验。“那里”本身并没有颜色。如果没有人的感知，落日就没有色彩，也没有亮度。它只是看不见的电场和磁场的混合物。

有些人会对光产生一种不同寻常的主观体验。10%缺乏绿色视网膜受体的男性会患上红绿色盲，他们比正常人看到的颜色要少得多。在他们眼中，红色和绿色看起来是一样的，他们看到的是二者的混合色，类似于我们眼中的黄色。他们的世界只有蓝色和黄色，所以不理解我们为何如此喜欢彩虹，因为对于他们来说，彩虹只有两种颜色，没什么好看的。如果不熟悉交通灯的顺序，这些人很可能会误闯红灯。事实证明，狗和大象也是红绿色盲，所以我们不应该允许它们驾驶车辆。

在有明亮的阳光或者人工照明的情况下，我们的视网膜状态最佳：锥体细胞能够提供全彩视觉，比1080P高清晰度的电视还要清晰三倍。直视前方时，我们的视力最佳，因为视锥细胞在视网膜中心最为密集。我们对光谱中的绿光最为敏感，它也正好位于可见光的正中间。绿色既是最容易被我们感知的颜色，也是阳光中最强烈的色彩，所以我想多说两句。

人眼可以分辨出波长相差仅1纳米的光，但仅限绿色的光。我们的视觉对红光和紫光的敏感程度只有绿光的十分之一。也就是说，如果色调不同的绿色并排出现，人眼大约可以分辨出其中的50种。

色彩敏感度测试通常分屏进行，不同屏幕分别显示波长略有不同的光。当两边的光波长相差不足1纳米时，观察者便会认为二者看上去是一样的。色调有些许不同的颜色会显示在分开的屏幕上，所以当你发现两边颜色不同时，你就能察觉到边界：屏幕看起来就像突然被分成了两个部分。

研究人员用同样的装置对动物进行了测试。当把鼻子伸向屏幕上颜色不同的位置时，狗就会得到奖励（研究人员应该会定时擦干净上面的鼻印）。类似的研究表明猫也能看到颜色。无论是在人、猴子还是马尔济斯犬身上，这种对色彩的感知都被称为明视觉。所谓明视觉，就是指在光线充足时感受到的全彩、全高清的视觉。

在亮光下，我们主管明视觉的神经系统结构有着奇特的癖好。我们已经知道，等量的绿光和红光同时射入眼睛，我们看到的是黄光。这与我们对光的其他原色的主观感受形成了对比。我们确实会将红蓝色的光感知为紫色的。绿光加蓝光在我们眼中是海宝蓝，这种颜色确实与它的组成成分很相似。然而，由于人眼—大脑结构的特殊癖好，我们无法看到发红的绿色和发黄的蓝色。

人眼明视觉的另一个癖好关乎敏感度。在许多动物眼中，白天的天空实际上是紫色的，但是人类的视网膜对那些位于可见光谱两端的光不敏感，所以我们只能看到天空呈现出与紫色相邻的颜色——蓝色。能看到紫色天空的动物也能感知紫外线。鸟类轻轻松松看到的光就比我们看到的更丰富。它们具有感知紫外线的能力，甚至能在距离地面非常远的高空察觉到老鼠尿中微弱的光。

然而，就算我们的明视觉有着这样那样的癖好，一旦太阳落山，一切都会发生改变。光子数量减少之后，我们的视觉就会从正常的明视觉转变为暗视觉，也就是夜间视觉。

日出而作，日落而息，我们对夜晚的到来再熟悉不过。然而，对于夜间视觉你又知道多少呢？随着夜幕降临，我们的瞳孔会逐渐放大至原来的三倍——如果我们还很年轻，那么它们的直径能达到七八毫米。（50岁以后，人的瞳孔通常无法放大至四五毫米以上。）19世纪那些渴望第一个发现新星系或者星云的天文学家有时会用颠茄制剂来扩大瞳孔，以便让更多的光射进眼睛，通过望远镜看到更多东西。

另外，在昏暗的光线下，视网膜中的光化学变化大大提高了它的灵敏度。在昏暗但并非完全漆黑的条件下（例如，在黄昏时分，或者在只有夜灯的房间里），暗视觉并不会完全“打开”，也就是说，明视觉仍然在工作，只是状态不佳。此时在我们眼中，只有绿色的物体还能保持原本的颜色，而位于可见光谱两端的红色和紫色看起来是灰色的。在明亮的月光下我们会发现，眼前的自然界似乎都蒙上了单一的湖绿色调。同时，我们最能敏锐觉察的可见光会从黄绿色转变为蓝绿色，这一变化是19世纪捷克生理学家简·浦肯野（Jan Purkinje）首次发现的，他也是第一个指出指纹可以用于追查罪案的人。我们称这种弱光下的变化为浦肯野转移。正是因为人类视觉对绿色有如此高的敏感度，所以建于20世纪50年代的最早的美国州际公路系统主要采用绿色标志，而且现在越来越多的市政府选择购买绿色的消防车。

若光线进一步变暗，我们就连蓝绿色也分辨不出了。这时只有2000万个视网膜杆状细胞在工作，眼睛就好像换了底片一样。暗视觉需要很长时间才能进入状态。杆状细胞非常懒惰，它们需要反复受刺激才能好好干活。晚上，关掉卧室的灯之后，你首先会陷入黑暗，几秒钟后才能慢慢分辨出一些细节，再过5分钟你就能看出房间的大致特征，20分钟后如果你还醒着，就会看见关灯前能看到的一切。但是，如果此时有人又开了会儿灯，然后再关掉，那么你就又得从头开始“适应黑暗”的过程。

在暗视觉下，我们是无法分辨色彩的——在黑暗中，丢在椅子上的红色运动衫和蓝色袜子看起来都是灰色的，整个房间都是黑白的。（顺便说一下，已知的完全看不到彩色世界的动物是猫头鹰，它们没有色彩鲜艳的羽毛，这就表示它们不需要利用花哨的外表来吸引异性，但是在昏暗的光线下，它们对灰度的灵敏程度比人类要强大得多。）和其他颜色不同，深红色在暗光下不会变成灰色，它们会直接消失。杆状细胞不能感知波长超过630纳米的光，不巧的是，宇宙中最常见的光都在这个范围里，例如猎户座星云，被激发的氢气发出的红光就好比这片巨大气体云的名片。盛大的游行通常会用到带可变电阻器或者调光开关的彩灯。当调暗亮度时，蓝色、黄色、橙色和绿色的灯光会在足够微弱的时刻变成灰色。但是深红色的灯光不会这样，当它们足够微弱时就消失不见了。

如果你是个人——这很有可能，毕竟你正在读这本书——那么你的夜间视力一定非常糟糕。亮光下我们的正常视力通常是20/20 ，虽然许多年轻人可以看到斯内伦视力表 的20/10（最下面的第11行），但是在昏暗的光线下，我们的视力最多只能达到20/200。这在法律上可以认定为失明。当你第一次和某人约会，在夜晚黑暗的街道或者公园散步时，你可以告诉他（她）你是法律意义上的盲人，以此来博得对方的同情心。你可没撒谎。

在昏暗的光线下，我们视野中有一块盲区。这种盲区位于正中间，和两只眼睛都有关系，而且面积很大，差不多有天空中满月的两倍那么大。我们的视野之所以会在夜间出现盲区，是因为人的视网膜中心只有锥体细胞，这也是我们在明亮的光线下直视物体效果最佳的原因。而在晚上，我们只有把视线稍微转向一旁，才能够更好地观察模糊的细节。几个世纪前，天文学家就已经知道这一事实。他们中大多数人只有通过余光才能分辨巨蟹座蜂巢星团中的单个恒星，如果直视的话，星团看上去就是模糊的一片。

了解了暗视觉，我们就掌握了了解各种不可见光的关键。每天我们都会发现，明明白天轻轻松松就能看到的颜色，晚上却怎么也看不出来了。因此，我们可以将电磁波谱中的不可见光（无线电波、微波、红外线、紫外线、X射线和γ射线）与我们在夜间无法分辨的有色光放在一起。它们就在那里，和白天一样真实，只是我们看不见。原因有三点。

第一，在可见光和红外线（我们确实能感觉到红外线，至少我们的皮肤会因此发热）之外，我们进入的是不可见的能量范畴。以微波为例，太阳基本不发射微波，偶尔会发射非常微弱的微波。既然如此，我们的视觉为什么要通过微波反射来感知物体呢？我们周围的自然界也鲜有微波，那我们凭什么必须看见那些总不出现又对我们没有什么影响的东西？

第二，组成视网膜细胞的分子会受到入射光的影响，光子会让这些细胞发射电脉冲。各种光的能量决定了视网膜与外界物质的互动。只有在非常有限的能量范围内，视网膜的光化学反应才能正常发挥作用。这一点绝非偶然。如果光的波长比我们能看到的最深的红色的波长稍微长一点，就会因为能量太弱而无法影响视网膜的蛋白质分子。因此，从物理和化学角度出发，严格地讲，我们看不到红外线。

在光谱的另一端，比紫光波长短的不可见光能量巨大，可以破坏视网膜中的敏感分子。幸运的是，在对视网膜造成任何损伤之前，它们就先被晶状体吸收了。（但是，在视网膜得到保护的同时，晶状体也会付出代价。时间长了，晶状体会受损，导致白内障。这就是在自然光强烈的情况下，我们需要佩戴太阳镜来阻挡光谱中的蓝光—紫光—紫外线的原因。）

还有相对来说不那么重要的第三点：某些不可见光不会被我们周围的物体反射。有的光会在物体周围发生弯曲或者衍射，还有的光（例如X射线）会直接穿透物体。对于我们来说，依靠这些光来“看清”外部世界既不现实也毫无意义。

既然我们已经初步了解什么是不可见光，以及我们为何看不见它们，那么接下来就让我们逐一探索生活中形形色色的不可见光吧！ xbpYR1c2HMEzcBV53xUjpzZilUjxweQ6obESuS18zVP+V1KeNmuAV//fGJZMaeOL