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世界上最常见的物质是什么？一个比较有趣的回答是光。
虽然光是如此常见，从婴儿诞生到这个世界，嘤嘤啼哭睁开眼睛开始，人就与光展开了亲密的接触。我们用眼睛观察这个世界，都是通过光完成的。都说“耳听为虚，眼见为实”，但是在科学上要真的把“看”这件事情解释清楚，单单凭物理一门学科并不够。
虽然本书主要和大家讲的是物理，但在这章里，我们跨界，和大家聊聊物理学和其他学科交叉的事。现代科学发展到今天，越来越离不开不同领域之间的相互借鉴。比如前面几节提到的粒子物理借鉴人们对于超导的认识，解释了基本粒子为什么有质量。在现在科学发展的最前沿，量子计算机算是最火的领域之一了，而它的不断迭代升级也离不开计算科学、数学和物理学之间的通力合作。想要让量子计算机充分发挥性能，既需要物理学家设计光量子或超导量子之类的量子计算平台，也需要诸如肖尔算法之类的运行在量子计算机上的量子算法。肖尔算法，以数学家彼得·肖尔（Peter Shor）命名，大家通常所说的利用量子计算机可以对密码体系进行加密和解密，就依赖于肖尔算法对大数进行分解素因数。
我们接下来要讨论的光与视觉，正涉及物理、化学、生物和心理等诸多学科的内容，而我们也借此一观在科学前行的过程中学科交叉的独特魅力。
光到底是什么？我们看不见也摸不着，物理学对光的认识经历了诸多阶段。在后面的章节里，我们也会多次和光打交道，看看大家对于光的本性的讨论所引发的三次波粒论战，看看光如何成为推开现代物理学大门的钥匙。
当然，我们现在已经知道，光是一种物质，它具有能量，也具有动量。可光并不能凭空而来，光的产生与电磁场密切相关。比如，如果我们拥有一对正负电荷，那么它们就会在空间中自然地产生电场。一旦这两个异种的电荷之间产生相对运动，电场也会跟着发生改变，变化的电场产生变化的磁场，而变化的磁场也会在周围产生变化的电场，如此循环往复、环环相扣、生生不息，就产生了一列波向前传播。这就是电磁波的产生过程，也是光的产生过程。我们如果把上述过程在三维空间中用矢量表示出来，就可以发现在远场处电场和磁场是相互垂直的。人们最早意识到电磁波存在的时候，利用的是偶极子天线实现电磁波的发射，这也是在无线电通信中使用最早、结构最简单，同时也是应用最广泛的一种天线。
光存在几个特征量，即波长、频率，还有一个叫能量，而且它们之间是具有密切关系的。比如说有一列波，如果在其传播速度一定的情况下，频率越高，波峰之间的间距，也就是波长，就会越短。另外，爱因斯坦通过解释光电效应告诉我们，光的能量是量子化的。
也就是说，光的能量与频率成正比。
在这三个概念中，最核心的其实是能量。 现代量子力学认为，在原子核的周围，电子的分布呈现为电子云。天上的云形状千奇百怪，原子中的电子云也有不同的分布。光既然是电磁波，它周围就会有一个周期变化的电场，电子会在这个电场的作用下受到扰动，与光发生相互作用。当原子吸收一个光子的时候，可以从一个较低能量的电子云的分布，变成一个较高能量的分布状态。反过来，电子也可以从较高的能量状态释放一个光子，回到较低的能量状态。
这里的能量变化体现为一系列能级，它就像台阶一样可以在上面，进行上下移动。有一些元素因为这个能量差别恰好处在可见光光子能量的范围内，所以就可以在火焰燃烧的时候呈现出一定的色彩，这就是著名的“焰色反应”。化学中常常用焰色反应鉴别元素的种类。
在科学发展的路上，很多人都会问，你研究的这个到底有什么用？当年法拉第演示电磁感应现象时有人问，现在科学的分支越来越多，每天的进展也层出不穷，这个问题同样有人问。只有理解一个现象从何而来，人类才能将之加以利用。想想今天你可能已经离不开的手机，上面精彩的视频和图案之所以栩栩如生地呈现，就是因为科学把颜色是什么研究透了。
从本质上来讲，颜色就是光的频率。不过在客观频率的基础上，我们又加入了人为的感知，这种主观因素在牛顿的时代就已经被发现，一束白光通过三棱镜进行分解，可以变为7种颜色，大致分为7类光。但实际上这个光谱是380~780 nm（1 nm为1 m的十亿分之一），从紫到红不断变化的，对应紫、靛、蓝、绿、黄、橙、红（见图1-2）。
图1-2 电磁波谱。尽管同为电磁波，但波长不同，对外显示出了截然不同的性质。
光要被眼睛感受到，需要一个成像系统和感光系统。眼睛正是这样一个关键的结构。眼睛的结构大概像一个相机，晶状体扮演着凸透镜的角色，而后面的视网膜则扮演了底片或感光元件的角色。
说到感光，就涉及光与物质的相互作用了。在最早期的胶片相机中，卤化银在光子的作用下，发生了光化学反应，从而记录了光线的强弱；数码相机中的电荷耦合器件（CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS）则是靠光电效应来工作；而人的眼睛能看见光线，是视网膜中发生了一系列生物化学反应。 这一切都紧紧围绕着电子的转移与跃迁来进行 （见图1-3）。对于孤立的原子体系，电离能主要是5～20 eV；在原子物理中，我们通常使用电子伏特作为能量单位，1 eV对应将一个单位电荷的电势升高1 V所需的能量。而金属、半导体和绝缘体，是0～6 eV。过渡金属和稀土族化合物经常呈现出一定的色彩，也就是说恰好有一部分跃迁所需能量处在1.6～3.2 eV。
图1-3 电子的转移和跃迁。从量子力学的视角来看，物质与光的相互作用实际上是分子内原本处于基态的电子在吸收合适大小的光子能量后，跃迁到更高能量的激发态。
但是在有机物中，我们如何才能实现电子的转移与跃迁，并且使跃迁能量恰好处在1.6～3.2 eV呢？先抛开具体的数字，做一个定性的讨论。有机物一般是不导电的，不过我们可以让其中碳原子的化学键单键和双键交替排列，方便电子的转移。另外，化合物最好还形成一个长链或其他的结构，让电子有充分运动的空间。此时根据量子力学的不确定性原理，电子的能量也会相应地有所降低。第三是创造一个特定的对称性，使电子各个态之间能量比较接近，减少跃迁的障碍。第四是在局部增减一些基团，在之前的基础上进行更精细的调节。第五是通过吸收光子，改变一些电子轨道的对称性，影响其中分子的构型。比如在生命体中常见的叶绿素和血红素都具有上面描述的类似结构。卟啉环上原子单键双键交替排列，方便电子转移，它们有一个比较大的空间，降低了能量，在此基础上增加和减少一些基团，又可以使这些物质的最终颜色发生轻微的改变。
那视觉细胞是如何实现感光的？感光的过程涉及两种物质，视黄醛和视蛋白，它们结合成为视紫红质。我们注意到在视黄醛中，碳-碳原子单键双键交替排列，方便电子转移。更有意思的是视黄醛中的第11个碳原子，当它吸收一个光子后，其中电子轨道发生对称性的变化，从原本相对固定变得容易旋转，进而让整个分子的构型从卷曲的状态变到伸直的状态。在生物体内酶的作用下，它可以从伸直的状态再次卷曲。在不断卷曲和伸直的过程中，相应的结构变化导致蛋白质构象发生变化，从而转变为一个交替变化的生物电位，最终在神经系统中传输。
实际上，视觉不只是眼睛的事，其实也与肝脏有关。 当人体缺乏维生素A的时候，就容易导致夜盲症。
如果是其他几种视锥细胞又如何感光呢？我们只需要把视蛋白进行替换，对相应的能量进行微小的调整，就可以实现不同频率光的感知了。视网膜上视锥细胞的分布分为三类，分别负责长波段、中波段和短波段的视觉感知。对于一个特定的单色光来说，比如黄光对三种细胞进行了不同的刺激。把这三种刺激加起来，就形成了对黄光的感知。 从这个角度讲，眼睛其实是一种“合成器”。 因为它把光谱中很多颜色叠加起来之后形成了大概三类，而这三类再一次叠加，形成较为整体的色觉感知。
人类非常幸运拥有三种色觉细胞，实际上很多哺乳动物只有两种。所以很多哺乳动物基本上都是色盲。如果你细心观察哺乳动物，就会发现一个很有意思的事情——梅花鹿也好，东北虎也好，虽然它们基本在丛林中生活，但从我们的视角看来，它们皮毛的颜色看起来非常显眼，因为橘红色的皮毛与丛林的绿色对比非常强烈。但这种颜色实际上是它们用来保护自己的，这是为什么？这是因为它们眼中缺乏区分红色与绿色的色觉细胞。所以在这些动物自己和猎物或天敌的眼里，其实它们是与背景融合得非常好的。另外，极少数人以及一些鸟类拥有四色视觉，而螳螂虾这种生物甚至可以有多达十几种色觉感受器，还能感知偏振光。它们眼里的世界应该更加丰富多彩。
不过，人的视觉的形成并没有上面描述的这么简单，色觉感受器获取颜色信号以后，实际上还经过了初级神经对信号重新进行编码计算， 处理加工以后才上报给更高级的神经系统。 比如人眼将红色和绿色重新编码（可以简单理解为相加），得到红-绿信号；而将红色信号和绿色信号相减，得到黄-蓝信号。这两路信号构成了人类对于色彩的认知，而由三路信号共同混合而成的黑-白信号，则构成了人类对于亮度的认知。
那么对于色彩，我们又要如何进行测量与表示？艺术家直接配颜料、比颜色可以得到；科学家则可以将 物理学与心理学相结合 ，用更便于数值化和标准化的方式表示颜色。比如说我将一个白色的衬底分割为两部分，左边这部分用汞灯的三种红、绿、蓝特定波长的光混合，右边是一个连续可调的、频率变化的不同颜色的光。在人眼对比左右两侧颜色直至匹配的过程中，我们就建立了它们之间的对应关系。按这种标准构建的色彩空间，也被称为“CIE-RGB空间”。其中CIE是国际照明委员会，他们制定了这个标准。后续人们又根据不同的显示条件（色光波长限制等）和需求（印刷、光照、屏幕等）划分了不同的色彩空间，大家在购买显示器时往往能接触到这些，这代表了这款显示器能显示多少颜色。受限于篇幅，更细节的差异就不在这里介绍了。
为了方便使用，我们更多使用的其实是把CIE-RGB的坐标利用线性变换以后切换形状的CIE-XYZ空间。
值得一提的是，人们在色彩空间图中标注了一些白点，它们是在不同空间中所定义的白色，此外，人们还标出黑体辐射在色彩空间图中的分布。这些白色的点总是围绕在黑体辐射这条线的周围，其中蕴含了怎样的道理？具有特定温度的物体，可以发出频率范围比较宽的电磁波，当它温度越来越高的时候，辐射出的能量越高，辐射能的波长就越短，会逐渐往可见光波段转移，直至更短的波段。
普朗克黑体辐射公式描述了理想黑体在不同温度下所辐射出的电磁波的强度分布。比如说黑体的温度从4000 K逐渐升到8000 K的过程中，对应辐射光谱中红光的比例越来越低，而蓝光的比例越来越高。所以整体上它的颜色会从偏红橙色变为偏浅蓝色，而当温度比较适中，比如它处于5500 K到6500 K这个范围的时候，颜色看起来就非常接近于白色。比较有意思的是，5500 K恰好是太阳的光球层的温度。也就是说太阳这个黑体，它所辐射的光被感知为白色。不过反过来想一想更有可能的是，恰恰因为太阳在这个温度辐射出了这样的光谱，而我们在这个环境中生存和进化，所以探测到了这个光谱范围，从而把这个最为常见的光定义为白光。
不过，这里我们需要思考的不只是这些。眼睛是一个非常复杂的系统，包括前面的物理系统、感知系统，还有后面的神经系统，形成视觉的每一步都充满了变数。人们经常说“眼见为实”，然而事实恐怕并不这么简单。因为眼睛远远不只是一部忠实记录数据的相机，而且是充满变化的。
比如因为不同颜色的光在同样的材料里传播时对应不同的折射率，这个物理现象最终会导致“色差”。相机里也有色差，如果仔细观察照片最边缘的物体，可以看到“紫边”，眼睛也不能例外。同一个点发出的白光在视网膜上成像的时候，前后位置其实是存在轻微差异的，从而眼睛感受到的不同颜色物体的远近程度是不一样的。如果你甩头左右摇摆，有些字似乎在运动，假如你戴眼镜，眼镜所带来的色差会进一步加强这个效果。
当然，色差是光线经过人眼这个透镜系统发生折射以后成像造成的，而反射式的系统就没有这种现象。动物中也确实有采用反射方法来获得视觉的，比如扇贝。扇贝的眼睛是靠底层一些嘌呤结构形成的晶体的平面来反光，最后光线像反射式望远镜中的情形一样，成像到视网膜上。不过这个系统也有它自己的问题，这些微小的结构，尺寸大概在微米量级，有可能会导致衍射等其他的干扰因素。
人类的眼睛还会有球差、不对称性、不均匀性等问题，光线比较强的时候，瞳孔会收缩得比较小，这个时候还有少量的衍射效应。另外视觉细胞也有一定的大小，这导致人眼的像素和分辨率也不能无限大。以上几项因素影响到的视角感知，大约都在1′量级，也就是1/60度。这些不足之处平常还好，不过在一些特定的情况下还是很明显的。晚上看星星和灯光，大家会感觉好像光源处冒出了几个尖尖，这就是以上这些不均匀性等原因所导致的光学效应。
另外，如果你仔细观察视网膜的生理结构，就会发现它的层次分布其实有些不合理。光线先是通过了血管层、神经层，最后才到感光层，这样的结构导致感光过程实际上受前面的血管和神经的额外干扰。有意思的是，章鱼眼睛的视网膜结构与人类的恰好相反，光是先到达了感光层，所以从视觉系统的结构而言，章鱼的其实更合理。
如果我们抛开具体的视觉成像结构，其实在大自然里，文昌鱼、章鱼和人类只是选择了不同的进化路径。这从人眼的视网膜结构上就可以体现出来，人类的视觉细胞在视网膜上是有特定分布的，比如视锥细胞集中于中央凹区域，而视杆细胞则分布在周围。从整体上来讲，我们看正前方的时候比较清晰，而四周比较模糊，但是晚上的时候，光线比较暗，视杆细胞起主要作用，所以我们有时候盯着一个比较暗的星星看，直接盯着会看不见，但眼睛稍微一偏，星星反而成像到周围的视杆细胞上，它们对亮度的敏感性更高，这样我们就能看清星星了。看一个物体的颜色时，由于其大小远近带来的视角变化导致成像到视网膜上位置不同，也会带来轻微的色彩变化。
如果说以上这些缺陷尚可以接受，在所有的结构缺陷中，盲点可以说是最让人难以接受的了。神经细胞从盲点经过，导致这里根本不存在感光细胞，不会感光。那我们看天空，岂不是会有一个窟窿？倒也不用担心，因为这个时候左眼和右眼看见的区域和盲点的区域相互重合，是一个互补的状态，所以还是能看见的，不过我们即使用一只眼睛看，也依然不会看到窟窿，人眼也能“无中生有”（见图1-4）。
图1-4 视觉错觉盘点，眼见不一定为实。
让我们从上面这个图来体会一下这个效应。首先，你需要闭上左眼，右眼视线的中心放在上方的十字上，然后前后移动头，不断尝试靠近和远离书页，你会发现到某个位置时，右眼余光里一直能观察的右边的点突然不见了，这是因为此时点正好落到盲点上消失了，这叫“视而不见”。另外，我们同样需要闭上左眼，右眼视线的中心放在下方的十字上，用右眼余光感受线段，本来在这个线段的中间是有一个间断点的。同样，前后移动头，不断尝试靠近和远离书页，你会发现到某个位置时，本来间断的线段竟连在一起了。这就不得了了，你发现人眼还会“无中生有”。你所看到的图案其实是你“脑补”出来的，眼见未必为实，视觉成像的过程涉及神经系统带来的各种生理和心理因素，与此同时也会带来很多错觉。
如果你对数据比较敏感，你应该可以注意到我们眼睛里的视杆细胞有超过1亿个，视锥细胞也有500多万个，而位于视网膜最终端负责传到视觉信号的神经节细胞只有100万个左右。从这里就可以看出来，大量的信息在眼部都已经做了预处理。 这些视觉感受器细胞的作用其实不只是感光，还要进行信号反馈、特征提取、背景抠除、边缘增强、环境对比等非常多的处理工作，整个过程真正利用了神经网络算法。 再加上大脑的处理，人眼可以实现更多你没想到的丰富的功能。
如果背景长时间不变化，颜色又比较淡，神经系统很可能会觉得它没什么用，就不花费注意力再关注它了。实际上你可以想一想，人类的鼻子始终处于眼睛的视觉范围内，但平时你可能并不会关注到它的存在，只有刻意去看的时候才看到。这个效应被称为“ 特克斯勒消逝效应 ”（Troxler’s fading），由瑞士物理学家特克斯勒于1804年发现。忽略一些不必要的东西实际上大大减少了神经系统的负担，让神经系统在那些不太重要的信息上不必再浪费资源。
人们发现的视觉错觉现象远不及此，还有人将其系统地整理，你可以看到多达上百种的视觉错觉现象。在各种社交平台上经常有人争论裙子到底是蓝黑色还是白金色，人的静脉到底是蓝色还是绿色，其实就是人眼在处理颜色的白平衡时因为颜色恒常性导致的错觉。
视觉形成其实是一个包含物理、化学、生物、心理等诸多方面的复杂的过程。 眼睛能够探测的始终是世界的某些部分、某些方面。探测的过程不仅受制于物理和生理因素，还受到心理因素的干扰。当然，前面我们介绍了很多人类视觉系统中的“不合理之处”，但在生物进化的过程中，神经系统的主观处理其实是有助于生物适应环境的。为了适应不同的环境，生物甚至可以演化出不同的感光结构和视觉功能来。
在众多的学科中，我们也常常发现所谓的“常数”和“线性”往往都是特例，变化才是常态。 眼见未必为实，假设需要求证，科学发展的过程更要注重实验探测与理性分析。 除了学习知识，我们还需要多反思多提问，什么是原因？什么是结果？为什么这样？可以不这样吗？
多一些思考，多一些想象，多一些学科融合，科学探索的过程才会更加有趣和精彩。