 悟世界之道，析萬物之理，我是中科院物理所副研究員李治林。我們這節(jié)課的主題是光與視覺，它是涉及到物理、化學、生物和心理等諸多學科的內(nèi)容。如果我問你，世界上最常見的物質(zhì)是什么，一個比較有趣的回答是光。 其實在宗教也好，神話也好，從上帝創(chuàng)世，到盤古開天，他們要做的第一件事，都是破除黑暗與混沌，創(chuàng)造光。宇宙大爆炸的早期，也已經(jīng)產(chǎn)生了光子，直到現(xiàn)在整個宇宙，還有一個 2.7 K的微波背景輻射，可以說光是無處不的。 光是什么，有何性質(zhì)？ 01 光是一種物質(zhì)，它具有能量，也具有動量。光的產(chǎn)生與電場密切相關(guān)，比如一對正負電荷對，它們就會產(chǎn)生一個電場，當它們之間產(chǎn)生相對運動的時候，電場發(fā)生了改變，變化的電場會產(chǎn)生變化的磁場，而變化的磁場也會在周圍，產(chǎn)生一個變化的電場，如此循環(huán)往復(fù)，環(huán)環(huán)相扣，生生不息，就產(chǎn)生了一列波向前傳播。   電磁場和電磁波 如果我們把它在三維空間中用矢量表示出來，就可以發(fā)現(xiàn)在遠場處電場E和磁場H之間是相互垂直的。并且將兩者叉乘以后，會形成一個向前傳播的矢量。  在這里我們看到，光有幾個特征的量，一個叫波長，一個叫頻率，還有一個叫能量，而且它們之間是具有密切的關(guān)系的。比如說有一列波，如果在其傳播速度一定的情況下，頻率越高，波峰之間的間距，也就是波長，會越短。另外愛因斯坦的光電效應(yīng)告訴我們，E=hν，也就是說光的能量是與頻率成正比的。在這三個概念中，最為核心的其實是能量，光既然是電磁波，它就會有一個周期變化的電場，電子會在這個電場的作用下受到擾動，與光發(fā)生相互作用。  頻率  能量 電子在原子中是處于一系列軌道上的。按現(xiàn)在的觀點，我們拋卻了軌道的概念，認為電子是電子云。但電子云也有不同的分布，當它吸收一個光子的時候，可以從一個較低能量的電子云的分布，變成一個較高能量的分布狀態(tài)，在這個過程中會發(fā)生一些極化和變化。反過來，電子也可以從較高的能量狀態(tài)，釋放一個光子，回到較低的能量狀態(tài)上。這里的能量變化，體現(xiàn)為一系列的能級，它就像臺階一樣可以在上面，進行上下地移動，有一些元素因為這個能量差別，恰好處在可見光光子能量的范圍內(nèi)，所以就可以在火焰燃燒的時候體現(xiàn)出一定的色彩，這就是著名的“焰色反應(yīng)”?；瘜W中常常用焰色反應(yīng)鑒別元素的種類。  焰色反應(yīng) 不過可見光在整個電磁波的頻率范圍內(nèi)僅僅占據(jù)非常窄的一小段。在整個頻率范圍中，我們有頻率比較低的微波，也有頻率非常高的X射線、γ射線，而可見光只有中間非常窄的一段，對應(yīng)光子能量處于 1.6 到 3.2 電子伏特之間。但即便如此窄的頻率和能量范圍，就已經(jīng)產(chǎn)生了非常豐富的色彩。  可見光范圍 顏色從本質(zhì)上來講它就是頻率，不過在客觀的頻率的基礎(chǔ)上，我們又加入了人為的感知，這種主觀因素，在牛頓的時代就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，一束白光通過三棱鏡進行分解，可以變?yōu)槠叻N顏色，大致分為七類的光。但實際上這個光譜是連續(xù)地從 380 納米到 760 納米，從紫到紅不斷變化的，對應(yīng)紅橙黃綠藍靛紫。  光的折射 人眼結(jié)構(gòu)與視覺過程 02 光要被我們的眼睛感受到，需要一個成像系統(tǒng)和感光系統(tǒng)。眼睛的結(jié)構(gòu)大概像一個相機，晶狀體扮演著凸透鏡的角色，而后面的視網(wǎng)膜則扮演了底片或者感光元件的角色。   眼睛結(jié)構(gòu) 視網(wǎng)膜上分為幾個重要的區(qū)域，中間是黃斑區(qū)和最中心的中央凹，側(cè)邊靠近鼻子這一側(cè)有一個盲點。盲點的存在實際上是由于視覺神經(jīng)在這里集中，沒有感光細胞導(dǎo)致的。視網(wǎng)膜分好幾層，包括血管層、神經(jīng)層和感光層。其中感光細胞又分為兩大類，視桿細胞和視錐細胞，視桿細胞主要負責亮度的感知，而視錐細胞除了亮度感知之外，還兼具有顏色感知的功能。 視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu) 說到感光，這就涉及到光與物質(zhì)的相互作用。在膠片相機中，其實是鹵化銀在光子的作用下，發(fā)生了光化學反應(yīng)；數(shù)碼相機中的CCD和 CMOS，本質(zhì)上是靠光電效應(yīng)來工作的；而人的眼睛則是視網(wǎng)膜中，發(fā)生了一系列生物化學反應(yīng)。這一切都緊緊圍繞著電子的轉(zhuǎn)移與躍遷來進行。對于孤立的原子體系，電離能主要是 5～20 電子伏；而金屬、半導(dǎo)體和絕緣體，是 0～6 電子伏。過渡金屬和稀土族化合物經(jīng)常呈現(xiàn)出一定的色彩，也就是說恰好有一部分躍遷所需能量處在 1.6 到 3.2 電子伏特之間。這是無機物的情況。 但是在有機物中，我們?nèi)绾尾拍軐崿F(xiàn)電子的轉(zhuǎn)移與躍遷，并且使躍遷能量恰好處在 1.6 到 3.2 電子伏特之間呢？在這里我們先做一個定性的討論。有機物一般是不導(dǎo)電的，不過我們可以讓其中碳原子的化學鍵單鍵和雙鍵交替排列，這樣方便電子的轉(zhuǎn)移。另外化合物需要形成一個長鏈，或者其它的結(jié)構(gòu)以后，讓電子有充分運動的空間。根據(jù)量子力學的不確定性原理，電子的能量也會相應(yīng)地有所降低。第三是創(chuàng)造一個特定的對稱性，使電子各個態(tài)之間能量比較接近。第四是在局部增減一些基團，在之前的基礎(chǔ)上進行更精細的調(diào)節(jié)。第五是通過吸收光子，改變一些電子軌道的對稱性，影響其中分子的構(gòu)型。 比如說在生命體中，非常常見的葉綠素和血紅素都具有類似的結(jié)構(gòu)。卟啉環(huán)上原子單鍵雙鍵交替排列，方便電子轉(zhuǎn)移，它們有一個比較大的空間，降低了能量，在此基礎(chǔ)上增加和減少一些基團，又可以使顏色發(fā)生輕微的調(diào)整。 那我們的視覺細胞是如何進行感光的呢？這就涉及到兩種物質(zhì)，視黃醛和視蛋白，它們結(jié)合成為視紫紅質(zhì)。我們注意到視黃醛中，碳-碳原子單鍵雙鍵交替排列，方便電子轉(zhuǎn)移。更有意思的是視黃醛中的第 11 個碳原子，當它吸收一個光子后，其中電子軌道發(fā)生對稱性的變化，從原本相對固定變得容易旋轉(zhuǎn)，從而從卷曲的狀態(tài)變到伸直。假如上述過程反過來，視黃醛再吸收一個光子，它可以從伸直的狀態(tài)再次卷曲。在不斷的卷曲、伸直、卷曲、伸直的過程中，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生變化，從而轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€生物電位，最終傳遞到神經(jīng)系統(tǒng)中去。 感光機制 不過當環(huán)境光線比較弱，甚至幾乎無光的時候，視黃醛結(jié)構(gòu)左邊可以變到右邊，但從右邊變不回去了，怎么辦呢？我們可以把視黃醛“掰”下來，在體內(nèi)經(jīng)過酶的催化作用，結(jié)合維生素 A 的反應(yīng)，然后再變回去，實現(xiàn)循環(huán)。所以實際上，視覺其實不只是眼睛的事，其實也與肝臟有關(guān)。比如說當我們體內(nèi)缺乏維生素A的時候，就容易導(dǎo)致夜盲癥。 如果是其它幾種視錐細胞又如何感光呢？我們只需要把視蛋白進行一個替換，相應(yīng)的能量進行微小的調(diào)整，就可以實現(xiàn)不同頻率光的感知了。視網(wǎng)膜上視錐細胞的分布大概如圖所示。我們可以看到它分為三類，分別負責長波段、中波段和短波段的視覺感知。 三種視錐細胞 對于一個特定的單色光來說，比如說黃光附近，我們從這個頻率升一條線上去，它會在三條曲線上各有一個交點，也就是說黃光對三個細胞，進行了不同的刺激。我們把這三個刺激加起來，就形成了對黃光的感知。從這個角度講，我們的眼睛其實是一種“合成器”。因為它把光譜中很多很多的顏色，疊加起來之后形成了大概三類，而這三類又再一次疊加，形成較為整體的色覺感知。 三色視覺 人類其實非常幸運，擁有三種色覺細胞。但實際上很多哺乳動物只有兩種，所以它們基本上都是屬于色盲。一個有意思的事是，我們看到梅花鹿也好，東北虎也好，它們在叢林中生活的時候，從我們的視角看來，它們的顏色看起來是非常顯眼的。因為橘紅色的皮毛與這個綠色的背景對比起來非常的鮮艷，但它們卻用這種顏色來保護自己，這是為什么？就是因為在它們的眼中，缺乏一種色覺細胞，無法區(qū)分紅色與綠色。所以在它們的眼里，這只大老虎，其實是與背景融合得非常好的。另外極少數(shù)人以及一些鳥類，擁有四色視覺。而對于螳螂蝦這種生物，它甚至可以有多達十幾種色覺感受器，甚至還能對偏振光進行感知。在它們的眼里，應(yīng)該擁有更加豐富多彩的世界。 我們再來看一下視覺細胞是如何實現(xiàn)對亮度的感知的。下圖所示左邊這條灰色的曲線是暗視覺下，視桿細胞的感受曲線；右邊彩色的曲線是明視覺下，視錐細胞的感知曲線。 有意思的是右邊這條線，可以由紅色的色彩感知曲線和綠色的色彩感知曲線，通過一定的比例相加得到。這里面好像沒有藍色光什么事兒，其實就挖出來一件隱含的事情：我們眼睛視錐細胞在感受亮度的時候，是進行了一個計算的。比如說紅色與綠色相加，它代表了亮度，對應(yīng)一個黑-白色對；而紅色與綠色相減，對應(yīng)一個紅-綠色對；紅色加綠色變?yōu)辄S色，藍色與黃色相減呢，是一個藍-黃色對；也就是說我們眼睛實際上在，最底層這一層面上，它是接受了藍光，并且知道它的強度的，但是在初級神經(jīng)這一段，它就已經(jīng)進行了一個初步的計算，處理加工以后才上報給，更高級的神經(jīng)系統(tǒng)。 這樣做有什么好處呢？我們注意到這里存在一種減法，實際上就是一種差分法，我們在電橋平衡里面，也會利用到類似的方法。三種色彩感知強度都比較接近的時候，它們求和其實是不太好反映最終的色彩差異。而作差其實能把這個差異更好地表達出來。 色彩對抗 色彩的測量與表示 03 那么對于色彩，我們又要如何進行測量與表示？這有兩種方法，一種是純心理的方法，也就是說藝術(shù)家，他們配顏料、比顏色可以得到；另外一個是物理學與心理學相結(jié)合的方法，這樣更便于數(shù)值化和標準化。比如說我在一個白色的襯底上，左邊用汞燈它的三個紅、綠、藍特定波長的光混合，右邊是一個連續(xù)可調(diào)的，頻率變化的不同顏色的光。在這兩種顏色進行匹配，眼睛看起來一樣的時候，我們就建立了它們之間的對應(yīng)關(guān)系。以此構(gòu)建的色彩空間 ，被稱為CIE-RGB 空間。其中 CIE 是國際照明委員會，他們制定了這個標準。 物理學與心理學相結(jié)合測色彩 CIE-RGB 空間對應(yīng)的色品圖（左） CIE-XYZ 空間對應(yīng)的色品圖（右） 不過這樣的話曲線會存在負數(shù)，而上左圖這個面又好像有點扭曲。為了方便使用，我們可以利用線性的坐標變換改變一下形狀，這樣看起來就好多了。 從上右圖的色品圖中，我們來看一下，可見光依然是存在在邊界上的，而這個白色實線三角形的三個頂點，正好是汞燈的三個波長，所以汞燈所能表示的色彩范圍，就是這個三角形內(nèi)部框出來的區(qū)域。那么假如我們想要把色彩范圍擴大需要怎么辦呢？其實我們把其中這個綠色的光源，向更短的波長變化，用另一個波長的光去替換，變成白色虛線這個三角形，我們看到它所能表示的，顏色范圍就更大了。另外圖中這個灰色實線，和灰色虛線所示的分別是比色卡和常見的計算機里所使用的 RGB 空間。 值得一提的是，人們在這個圖中標注了一些白點，它們是在不同空間中，所定義的白色。而紅色的這條線，是我們畫出來的黑體輻射在圖中的分布。我們注意到這些白色的點，總是圍繞在黑體輻射這條線的周圍，這其中蘊含了怎樣的道理呢？具有特定溫度的物體，可以發(fā)出比較寬范圍的電磁波，當它溫度越來越高的時候，會逐漸往可見光波段轉(zhuǎn)移，直至更短的波段。普朗克黑體輻射公式描述了理想黑體，在不同溫度下所輻射出的電磁波的強度分布。 黑體輻射 比如說黑體的溫度從 4000 K，逐漸升到 8000 K的過程中，對應(yīng)輻射光譜中紅光的比例越來越低，而藍光的比例越來越高。所以整體上它的顏色，會從偏紅橙色變?yōu)槠珳\藍色。而當溫度比較適中，比如說處于5500 K 到 6500 K 這個范圍中的時候，這個顏色看起來就非常接近于白色。比較有意思的是，5500 K 恰好是我們太陽的光球?qū)铀鶎?yīng)的溫度。也就是說太陽這個黑體，它所輻射的光，被我們感知為白色。反過來想一想更有可能的是，恰恰因為太陽在這個溫度，輻射出了這樣一個光譜，而我們在這個環(huán)境中生存和進化，所以探測到了這個范圍，并且把這個最為常見的光，定義為了白光。 不過這里我們需要要反思的，就不止是這些了。眼睛是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，包括前面的物理系統(tǒng)、感知系統(tǒng)，還有后面的神經(jīng)系統(tǒng)，每一步都充滿了變數(shù)。 眼見為實？充滿變數(shù) 04 我們經(jīng)常說“眼見為實”，然而事實恐怕并不這么簡單。因為眼睛遠遠不只是一部忠實記錄數(shù)據(jù)的相機，而是有非常非常多變化的。比如說因為物理因素，會導(dǎo)致一個東西叫“色差”，我們相機里也有色差，眼睛也不能例外。它是由于不同顏色的光，對應(yīng)不同的折射率，這樣同一個點發(fā)出的白光，成像在我們視網(wǎng)膜上的時候，前后位置其實是輕微不同的。因而你感受到的不同顏色物體的遠近深度是不一樣的。 色差 比如說下左圖里邊，紅色和藍色的形狀，你看一下會有一種感覺——好像它并不是在同一層上的，紅色離你比較近，而藍色離你會比較遠一些。 利用這一點，我們還可以做一些廣告詞，我們感覺到一些字會“躍然紙上”，如果我們頭左右搖擺一下，有些字似乎在運動，假如你戴眼鏡的話，眼鏡所帶來的色差，會進一步加強這個效果。 當然了色差是由于我們的人眼是透鏡系統(tǒng)，反射式的系統(tǒng)就沒有這個現(xiàn)象，我們動物中也確實有，采用反射方法來實現(xiàn)的，比如說扇貝。它的眼睛是靠底層一些嘌呤的結(jié)構(gòu)形成的晶體的平面來反光，最后像反射式望遠鏡一樣，成像到視網(wǎng)膜上。不過這個系統(tǒng)也有它自己的問題，這些微小的結(jié)構(gòu)，尺寸大概在微米量級，有可能會導(dǎo)致衍射等其它不好的因素。 扇貝的眼睛是反射系統(tǒng) 人類的眼睛還會有球差，不對稱性，不均勻性等許多的問題。光線比較強的時候，瞳孔會收縮得比較小，這個時候還有少量的衍射效應(yīng)，另外一個我們的視覺細胞，也有一定的大小，這導(dǎo)致我們的像素和分辨率，也不能無限的大，以上幾項因素影響到的視角感知，都在 1′ 量級，也就是 1/60 度，其實還算比較好啦，不過在一些特定的情況下，還是挺明顯的，比如說晚上我們看星星，大家會有一種“星芒”的感覺，好像冒出了幾個尖尖，這就是以上這些不均勻性等等，所導(dǎo)致的一個效應(yīng)。 另外視網(wǎng)膜的生理結(jié)構(gòu)上，你會發(fā)現(xiàn)它的層其實有點不科學，我們光先是通過了血管層 神經(jīng)層，最后才到了感光層，這樣會導(dǎo)致我們感光上，實際上受到前面的一些影子的影響。有意思的是，章魚它的眼睛系統(tǒng)與人類恰好相反，光是先到達了感光層，所以它這方面有更好的視覺。 文昌魚、章魚和人類，它們其實選擇了不同的進化路徑。這從人視網(wǎng)膜的結(jié)構(gòu)上，就可以體現(xiàn)出來。我們的視覺細胞，在視網(wǎng)膜上是有一個特定的分布的，比如說視錐細胞集中于中央凹區(qū)域，而視桿細胞則在周圍，整體上來講，我們看正前方的時候比較清晰，而四周比較模糊，但是晚上的時候，光線比較暗，視桿細胞是起主要作用的，所以我們有時候，盯著一個比較暗的星星看，直接看看不著，眼睛稍微那么一偏，反而成像到周圍的視桿細胞上，而它對亮度的敏感性更高。另外我們看一個物體的顏色，其實它的大小遠近帶來的視角變化，導(dǎo)致成像到視網(wǎng)膜上位置不同，也會帶來一個輕微的色彩變化。 以上這些尚可以接受，完全不能接受的是盲點，神經(jīng)細胞從這里經(jīng)過，導(dǎo)致這兒壓根就不會感光，那我們說這個時候我們看天空，豈不是會有一個窟窿，倒也不用擔心，因為這個時候左邊眼睛和右邊眼睛，看見的區(qū)域和盲點的區(qū)域，相互有一個重合，是一個互補的狀態(tài)，所以還是能看見的，不過我即使是一只眼睛，也依然不會看到有窟窿存在，難道還能無中生有？我們從下面這個圖里，來觀察一下這個效應(yīng)。 首先我們閉上左眼，用右眼睛去看藍色的十字，當你前后移動、靠近和遠離的時候，你會發(fā)現(xiàn)某個位置處，右邊的紅點突然不見了，這就是它落到了盲點上消失了，這叫“視而不見”。而另外一件事情，是我們盯下面的藍色十字，用右眼去感覺右邊紅色，本來這個中間，是有一個白色的間斷點的，但你挪到某一個位置的時候，恰好發(fā)現(xiàn)它連在了一起。這就不得了了，你會發(fā)現(xiàn)這里發(fā)生了一件事，叫做“無中生有”，這個東西其實是你“腦補”出來的，這就涉及到神經(jīng)系統(tǒng)，所帶來的各種心理因素了，同時會帶來很多很多的錯覺。 心理：神經(jīng)系統(tǒng)與視覺錯覺 05 我們注意到眼睛里的視桿細胞，大概有超過 1 億個，視錐細胞也有 500 多萬個，而神經(jīng)節(jié)細胞僅僅只有 100 萬個左右。從這里我們就可以看出來，大量的信息，實際上是在眼部的神經(jīng)系統(tǒng)那里就已經(jīng)做出了預(yù)處理。它其實不只是感光，還要進行信號的反饋、特征的提取、背景扣除、邊緣增強、環(huán)境對比等非常多因素，是一個真正的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。另外再加上大腦的處理，我們的人眼可以實現(xiàn)更多豐富的功能。 比如說這張淡淡的彩色的圖，如果我們盯著中間的十字來看的話，過一段時間你會發(fā)現(xiàn)，整個背景變成白色了，這實際上就是告訴我們，這個背景長時間不變化，顏色又比較淡，神經(jīng)系統(tǒng)覺得它可能沒什么用，就不讓我們再關(guān)注它了。實際上你想一想，我們鼻子始終處于眼睛的視覺范圍內(nèi)，但平時你可能并不會關(guān)注到它的存在，只有刻意去看的時候才感覺到。這實際上大大減少了神經(jīng)系統(tǒng)的負擔，對于那些不太重要的信息，不必再占用資源。 而這張黑白色的馬赫帶，讓我們感覺到中間，似乎有一個明顯的明暗變化，在馬赫帶圖案中，原本每一個縱向的條紋是顏色一致的，但我們看起來好像是左邊變亮，右邊變暗了，這個過程讓它的邊緣變得更明顯了，這種邊緣增強，有利于我們感知物體的輪廓。 在棋盤這個圖里，我們看到 A 和 B 兩個位置，看上去好像明暗并不一樣，但它們實際上是一樣的，只是因為周圍環(huán)境不同看起來不太一樣。這是由于我們眼睛看東西，對于人眼而言更重要的是感知它的對比。所以周圍的環(huán)境，會影響到中心區(qū)域色彩和亮度的感知。 對于這個動圖就更有意思了，比如說光點在移動，其實是有一種運動感知，以及視覺暫留效應(yīng)，而紅色點突然消失后旁邊出現(xiàn)綠色，這是一個視覺的負后像效應(yīng)，涉及到視覺的疲勞，品紅色會變出它的補色綠色出來。而當你盯的時間足夠長以后，整個這種淺淡的顏色又會逐步消失，相當于一個背景的扣除。 我們大腦甚至可以加入更多的生活經(jīng)驗影響我們感知，比如說下方左邊這幅圖里，草莓它是什么顏色的，我們明顯覺得它是紅色的，但如果你真正把其中的像素點，提取出來去看它，會發(fā)現(xiàn)它真的是特別不明顯的紅。這實際上是我的大腦根據(jù)生活經(jīng)驗，我們大腦自動做了一個白平衡，等于它自己已經(jīng)求完了一個方程。再比如說下方右邊這件衣服，它到底是白金色還是藍黑色，不同的人由于生活經(jīng)驗，大腦給的這個信息不一樣，最后看到的顏色也會不同。 草莓是紅色的嗎？（左） 白金色還是藍黑色？（右） 回顧與思考 06 我們回顧一下，視覺其實是一個包含物理、化學、生物、心理等諸多方面的復(fù)雜的過程。眼睛能夠探測的，始終是世界的某個部分，某些方面，受制于物理和生理因素，并受到心理因素的干擾，當然，神經(jīng)系統(tǒng)的主觀處理，是有助于生物適應(yīng)環(huán)境的。在不同的環(huán)境中，生物甚至可以演化出，不同的感光結(jié)構(gòu)和視覺功能來。 在眾多的學科中，我們也常常發(fā)現(xiàn)所謂的常數(shù)和線性，往往都是特例，變化才是常態(tài)。眼見未必為實，假設(shè)需要求證，所以我們還是要注重實驗探測與理性分析。除了知識的學習，還需要多反思多提問，什么是原因？什么是結(jié)果？為什么這樣？可以不這樣嗎？多一些思考，多一些腦洞，多一些學科融合，科學探索的過程才會更加有趣而精彩。 課后作業(yè)：選取你感興趣的問題，查找資料并回答。
悟世界之道，析萬物之理，我是中科院物理所副研究員李治林，今天的課程就到這里。謝謝大家！ |
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