可见光为什么可见

既然光是一种波，就和水面的波浪一样，有波峰和波谷，一个波峰和另一个波峰之间的长度，就是波长。波长是波的重要特征，对于光波来说尤其重要，因为它决定了光的许多属性。因此测量并计算光的波长，早就成为物理学家的重要任务。托马斯·杨和菲涅尔都测定过不同光波的波长，测定的原理也大体相同。

光波与水波的不同之处在于，我们看不清光的波峰与波谷，因而无法直接测定波长，除非用特殊的办法让波峰和波谷显示出来，而光的干涉正好能完成这个任务。假如两列相同频率的单色光发生某种程度的重叠，恰好让波峰对上波峰，波谷对上波谷，就会出现叠加效应，使波峰更高，波谷也更低，通俗地说就是亮的更亮，暗的更暗，从而在屏幕上表现出清晰的明暗条纹。直接测量条纹之间的距离，我们就可以得到光的波长了。

随着技术的不断进步，人们对波长的测量也越来越准确，并以波长为标准，对不同的电磁波进行了简单分类，大致把波长400～760nm的光称为可见光，就是人类眼睛可以见到的光。可见光又可分为三段，大致每100nm为一段：400～500nm为蓝光波段，500～600nm为绿光波段，600～760nm为红光波段。在蓝光波段之外，一般称为紫外光或紫外线；红光波段之外，则称为红外光或红外线；两种光线人眼都无法直接感知。

当然，光波分段不可能如此整齐。国际照明委员会分别将波长435.8nm、546.1nm和700nm指定为蓝、绿、红光的标准波长，由此可见，标准波长并不都是整位数。我们说400～760nm是可见光，只是追求简洁的说法，毕竟整齐的数字可以有效节省大脑内存。这种近似的表达可能会丢失一些精确性，却易于记忆。

现在有个新的问题摆在我们面前：既然太阳辐射从150nm到2500nm之间都有分布，我们为什么只能看到400～760nm的可见光，而不是波长更短或更长的光呢？收音机接受的无线电波和光波的本质相同，都是电磁波，人类为什么看不见无线电波呢？如果我们在听收音机的同时，也能看到漫天飞舞的无线电波，让世界充满迷幻的色彩，难道不好吗？

我们的眼睛正好能够看见一个可见光展示的世界，蓝天白云、绿树红花，基本没有意外的干扰，难道那是神秘的奇迹吗？

这听起来是个很玄妙的生物学问题，其实是个很简单的物理学问题。

你肯定在无数个十字路口遇到过很多行人，但除非特别熟悉的人，或者有人差点儿踩到你的脚尖，否则你一般不会对他们有任何印象。那些与你擦肩而过的行人就像天边悄然飘过的流云，你虽然看见了，但无须记忆，因为记下来没有任何价值。道理很简单，记住太多无关紧要的人，只会影响你的思维能力，让你无法从过多的干扰信息中及时抽取有用的内容。

我们对太阳辐射的使用，也是同样的道理。

就理论而言，能看到所有辐射波段是最好不过的事情。这样的话，我们可以在夜晚通过微弱的散射光洞悉树叶底下爬行的蠕虫，也可以通过X光看见城市街头好多骨架走来走去，任何名牌服装都显得可有可无。

不过，过多的光波信号意味着大量的信息干扰，会增加视觉系统的负担。如此一来，我们很难睡个安稳觉。试想一下，当你疲倦地躺在床上，闭上眼睛却仍然可以透过眼皮看到各种信息不断涌来，你恐怕很难迅速进入梦乡。

出于适用性考虑，我们不需要收集所有的辐射信号，而只需要收集性价比最高的内容，这些内容不但可以提供足够的信息，而且不会干扰我们正常的活动与休息。所以我们必须屏蔽不必要的辐射信息，只有可见光除外。

可见光之所以被叫作可见光，是因为我们的眼睛正好能看到这段光波。那是排除了所有不必要波段，比如紫外线和红外线，包括X光等低频射线的结果。剩下的光线，就是肉眼可以感知的光线，我们称之为可见光。

其实可见光这个词并不准确，如果较真的话，应该叫作人眼可见光才对。对于不同的动物来说，可见光的范围并不相同。有些动物可以比人类感知更宽的光谱，比如蜜蜂能看见紫外光，有些鸟类则能够看到红外线。由此可知，人类所说的可见光和其他动物眼里的可见光并不是一回事。人类只是掌握了话语权，强行把自己看到的光线命名为可见光而已。

要是较真的话，人眼可见光这个说法也不准确，因为我们看到的并不是一个固定的光谱波段，而是变化的波段。我们只是大致把400nm到760nm的波段的光称为可见光。而在现实世界中，有人居然能看到350nm或者780nm的光波，而且不能排除感受更加夸张的波段的可能性。科学家根本无法给出真正准确的可见光序列，表明我们看到的色彩并不相同。

就算色觉正常的人群，每个人看到的色彩也可能略有不同，这就是所谓的色觉多态性，只是彼此没有经过详细对比，因而互相都不了解罢了。 有时就算经过对比，也很难发现其中的微妙差别。比如你指着一个红色的苹果告诉朋友，说这就是红色。无论你的朋友是否色觉正常，都不会提出反对意见，他也会认为那就是红色，因为他从小就被教导苹果是红色的。其实红色只是对色彩的一种定义，是大家给事物贴上的一个标签，他并不知道你眼里的红色到底什么样，你也不知道他眼里的红色是什么样的。你们以为可以用一个苹果找到共同点，其实你们可能看到的是完全不同的色彩。也就是说，每个人眼里的世界，色彩略有差异，我们只是没有机会与别人进行详细的对比和区分，因此只能默认大家眼里的色彩是相同的。如果不去做体检，我们甚至很少意识到有人是色盲，可他们眼里的世界明明和我们眼里的完全不同。在体检结果出来之前，我们对此却毫不知情，甚至连色盲患者自己都不知道。因为大家都会同意苹果成熟以后会变成红色，从而表现出表面上的一致。

同样的道理，其他动物眼里的世界和人类的也完全不同，我们对此同样毫不知情。那其实是不同动物对不同光波进行取舍的结果，为的是提高视觉系统的工作效率，适应各自不同的生活环境。

很少有人意识到，可见光的内容其实极其丰富，你可以认为每个波长都对应着一种光，比如波长为421nm的光波就和422nm的光波不同，而422.5nm的光波又和422.6nm的光波不同。要想完全感受并区分所有不同的波长，眼睛就应该具备大量不同类型的感光细胞，以便与所有波长的光形成一一对应的关系。青凤蝶就为此做出了巨大的努力，它们甚至有十五种分辨颜色的感光细胞。从节约信息量的角度考虑，没有哪种动物能够把感光能力做到极致，那几乎要求无穷多的感光细胞，对大脑信号处理能力的要求也近乎无穷大。对于任何生物来说，这都是不可能的事情。所以，动物对于光波必须有所取舍。

一旦采取不同的取舍策略，不同的动物就会表现出不同的感光能力。

我们之所以能够看到这个区域的波段，而不是那个区域的波段，首先是为了适应光电效应的需要，其次是为了适应自然环境的需要。只有不同的感光能力，才能适应不同的自然环境。生活在山洞里的蝙蝠不可能和生活在泥土中的蚯蚓进化出相同的感光能力，也就是说，感光能力是自然选择的结果，同时也是对光线妥协的结果。

当阳光携带着全波段的能量从太阳表面起程，经过一亿五千万公里的远征抵达地球时，有些波段的能量已经在长达八分钟的漫长旅途中被消耗殆尽。到达地球的阳光中，绝大部分都属于红外线，但红外线的缺点是能量太低，不足以激发眼睛内部的光电效应。而处于可见光另一端的紫外线则正好相反，它们能量太高，反应性能太强，见到谁都要反应一下，结果很容易被臭氧或者水分子吸收掉。残余的紫外线到达眼球时，又被晶状体蛋白质大量屏蔽。经过层层过滤，紫外线很难到达人眼的视网膜，当然也就无法激发感光系统的光电效应，所以我们人类看不见紫外线。

也就是说，我们对红外线的屏蔽，是一种被动屏蔽，因为红外线本身不足以激发感光反应；而对紫外线的屏蔽则属于主动屏蔽，晶状体和玻璃体是最重要的防护层，如果没有这些防护层，我们就可以看到紫外线。有些人的眼睛发生病变之后，比如一些白内障患者晶状体受损，对紫外线失去过滤能力，反倒能够意外获得紫外视觉，看到比紫色更紫的颜色。法国著名印象派画家莫奈晚年就因为患白内障而能够看到紫外线，导致他晚年的作品由鲜艳明亮的色彩一变而为朦胧的深褐色和深红色，呈现出迷幻般的绘画效果。当然，他眼里的效果可能更加迷人，只是我们无法察知罢了。

和人类不同，许多脊椎动物都有紫外感光能力，比如壁虎和鸟类，它们都拥有所谓的紫外视觉。

那么为什么有些动物可以感受紫外线，有些动物却要屏蔽紫外线呢？这与不同动物对紫外线的依赖程度有关。

某种动物是否感受紫外线，主要取决于两个因素：一是周围环境有没有紫外线。如果环境中根本没有紫外线，紫外视觉当然毫无意义。海洋深处就是典型的无紫外线环境，那里的紫外线早就被水分彻底吸收了，所以深海动物没有必要发展紫外视觉。比如原始的腔棘鱼主要生活在海下两百米处，紫外线根本无法到达，它们为什么要感受紫外线呢？

黑夜是另一种无紫外线的环境，洞穴中同样缺少紫外线，所以，这两种生态环境中的动物一般都不会发展紫外视觉。普通的夜行蝙蝠就严格遵循这一原理，但在美国中南部有一种花蝙蝠则具有紫外视觉。

在长期的进化过程中，蝙蝠的食性出现了不同程度的分化。有些蝙蝠专门捕食昆虫，那是多数夜行蝙蝠的特征；有些蝙蝠则改为吸血，就是所谓的吸血蝙蝠；有些蝙蝠则专吃水果，常被称为果蝠；还有少数几种蝙蝠则向鸟类学习，开始改吃花蜜，这就是花蝙蝠。

花蝙蝠主要靠舔食花蜜为生，而花蜜可以反射紫外线。要想得到更多的花蜜，花蝙蝠必须发展敏锐的视觉，直至像鸟类那样进化出紫外视觉。为此花蝙蝠付出了巨大的代价，它们不但撤除了眼睛对紫外线的防护屏障，而且大大缩小了眼睛尺寸，只有这样，才能降低紫外线的折射率，以便更好地把紫外线聚焦在感光细胞上。所以，花蝙蝠的眼睛都很小，直径居然不足两毫米，那正是对紫外线妥协的结果。

花蝙蝠只是哺乳动物中的例外。多数哺乳动物都没有紫外视觉，因为它们对花蜜的依赖性并不强，既然如此，紫外视觉就显得多此一举，毕竟紫外线对眼睛具有明显的伤害作用。为了过滤紫外线，哺乳动物一般都拥有较大的眼睛。只有较大的眼睛才能含有足够多的有机物质，从而起到有效的紫外线屏蔽作用，以此保护视网膜，进而提高自身的寿命。至于那些保存了紫外视觉的动物，寿命都不太长，往往会在视网膜被紫外线彻底摧毁之前死去。

除了损坏视网膜，紫外线还会造成大量散射，降低视觉的精确程度。那些能够看见紫外线的动物，比如蜜蜂，因为无法消除紫外线散射，视觉都很模糊，不过它们只要看到一团类似花朵的东西就够了。而哺乳动物则必须看到清晰的图像，如果像蜜蜂那样视觉模糊，把一匹狼看成一只羊，那就不是对错的问题，而是生死的问题。只有过滤掉多余的紫外线，才能使图像更加清晰，这是哺乳动物屏蔽紫外线的另一个重要原因。

排除了红外线和紫外线以后，你会发现，可见光的优势非常明显。它的能量约占太阳辐射总能量的50%，穿透力既不是太强，也不是太弱，足以影响有机物的化学键，和视觉系统发生典型的光电反应，把电磁波中的能量转化为有效的电化学信号，又不会对视觉系统造成严重的伤害。所以对于人类来说，可见光才是最适合的光线。

由此可见，我们的眼睛能够察觉可见光并不奇怪。

眼睛一旦出现，立即给动物带来了强大的生存优势，直至决定了今天的生命形态。 ^[1] 而且眼睛的价值远远不止观察可见光这么简单，它还进化出了辨别不同色彩的能力。

眼睛分辨各种颜色的能力，就叫作色觉。色觉的出现，对于生命的色彩进化具有不可替代的推动作用。

需要强调的是，在生理学领域，视觉和色觉是两个不同的概念。色觉是视觉的组成部分，而视觉的范围则要大得多，除了色觉，还包括辨别光线的明暗及距离的远近等。本书不打算讨论过于专业的问题，对视觉与色觉也不准备加以细致区分，以免制造不必要的信息负担。在本书中，如果没有特别说明，我们提到视觉时，有时大致等同于色觉。

一旦眼睛具备了不同的色觉，这个世界立即变得不同起来。

[1] Parker A. In the blink of an eye: how vision sparked the big bang of evolution [M]. London: Cambridge Press, 2003: 36-88. tqBQkYMazqlyGq/WvnFeiOstLOB9dsI5OiGjgMFGRJq7OuWklcEvHGFMjV37RjwI