这是红花，那是绿叶...... 我们的眼睛是怎么识别颜色的

物质世界精彩纷呈，我们睁开双眼就能看到各式各样的物质。

在公园里，我们可以远望蓝天白云，也可以欣赏湖面波光，又或是端详野草怪石，偶遇几个亲戚朋友。所有这一切都是由物质构成的，这一点我们早就知晓，但我们是怎么辨识出不同物质的呢？

最重要的辨别方式，自然就是看 —— 不同的物质可以发射或反射出不用的光，我们的双眼正是通过对这些光进行反应，才最终识别出它们是什么，或者远远就认出熟悉的人。

这种作用方式的基础，就是物质和能量的相互关系，而我们今天能够借助的各项仪器，绝大多数也是利用了类似的原理。

这其中，最常用的一种方法被称为“光谱分析”，此前我们说到从太阳中看到氦元素，其中利用的方法就是通过对其辐射的特征谱线进行分析鉴定得出的。

光谱，顾名思义就是依光的波长大小排列的谱图，它是记录某种物质发射或吸收光波的一种图案，根据光谱去识别物质，就跟看着乐谱唱出歌曲一样、光谱的形式非常多样，因为物质发生能量变化的方式实在太多了，电子跃迁只是最常见的一种，我们双眼通常也是根据这一点发挥作用。

比如，当我们去赏花的时候，五颜六色的花朵屹立在绿叶环抱的枝头，而我们的眼睛可以真切地看到每一朵花，这就是一种可见光形成的光谱。在这个过程中，观测设备是我们的双眼，而识别设备则是大脑中的处理系统。

在这些花和它们的叶子中，含有很多不同的色素分子。这些分子是由原子构成的，每一个原子中的电子，在吸收光波后，就会发生跃迁。正如前面已经提及的，电子的跃迁必须要遵循一定的能级，是量子化的。所以，当太阳光照射过来的时候，那些能量没能满足电子刚好在能级之间发生跃迁的光子，就不会被吸收，通常会直接反来。这样一来，我们所看到的颜色，就是色素分子在吸收过所需光波后剩下的那些颜色。

眼睛本身也是一个能量与物质相互作用的场所。就人眼而言，大多数拥有的视觉系统中都有三种被称为“受体”的感光结构，它们分别带有一些物质可以和不同颜色的光发生作用，然后再把信号传递给大脑，大脑由此识别出红、绿、蓝三种颜色。实际上，人类现在绝大多数电子设备也都是这样设计的，比如电脑屏幕，也可以发出红绿蓝三种颜色，它们可以按照不同比例，调和成包括白色在内的各种可见光。

如果人类只能看到两种颜色，那么我们可以识别的物质将会大为减少 —— 事实上也的确有很多人天生色盲，缺少某种感光成分，对生活产生了诸多不利（“色盲”这种现象最早也是由道尔顿发现的，因此色盲症又有“道尔顿症”的称呼，道尔顿的实验水平相对不高，与此可能有一定关系）。

相反，如果感光的成分更多，就会更容易观察到物质的变化。鸟类和一些爬行动物的眼睛中都有着四种或更多的受体，它们看到的世界也比我们人类更丰富多彩。不过，在掌握了能量与物质相互作用的规律后，人类用检测仪器弥补了这些不足。

很多物质的电子跃迁并不在可见光区，也就是说，它们吸收的光是我们所看不到的，于是这些物质在我们看来，要么就是平平无奇的白色、灰色或黑色，要么干脆就是透明的。

玻璃就是一个很好的例子，我们偶尔会莫名其妙地撞到玻璃上，就是因为它看上去空无一物。然而，这并不代表玻璃的内部就不存在电子跃迁，只是因为它们吸收的光波非常短，是比可见光频率更高的紫外光，对可见光却没有兴趣，所以我们看到的就是像水一样晶莹清澈的玻璃。如果我们人眼能够看到紫外光，那我们看到的玻璃或许就和青铜器差不多了。

对于这些肉眼根本无法分辨的物质，紫外光谱仪器就可以轻松地看出它们的差别，它就是我们眼睛的延伸。

除了紫外光谱以外，还有红外光谱、拉曼光谱、荧光光谱之类的各种光谱仪，都可以帮助我们看清物质。它们全都是利用了电子在能量作用下发生跃迁的原理。即便只是在可见光区，有很多物质也需要仪器的帮助才能看明白它们的真身 —— 这也正是我们从太阳光谱中找到氦元素的办法。

再说一下光。从本质上讲，我们所说的光指的是可见光，从紫光到红光区域。广义上，光不仅是可见光，还包含红外线和紫外线等。虽然红外线、紫外线以及在它们波长之外的电磁波均不能引起人眼视觉，但紫外和红外波段的电磁波可有效地转换为可见光，利用光学仪器或摄影与摄像的方法可以量度或探测发射这种光线物体的存在，因此，在光学研究领域，光的概念通常延伸到邻近可见光区域的电磁辐射（红外线和紫外线），甚至 X 射线等也被认为是光。

但是，能量对于物质世界的影响还远不止于此，我们的生活，无时无刻不在感受着能量的变化。

文源：《给青少年讲物质科学》

作者：孙亚飞

文中部分图片源于网络

版权归原作者所有

编辑：张润昕

本文来自微信公众号：原点阅读 （ID：tupydread），作者：孙亚飞

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