生活科普:五光十色的世界,為何在每個人眼里不盡相同?
來源:賽先生
發(fā)布時間:2021-05-31
瀏覽次數(shù):848

色彩是大自然對人類的微笑。

——諾貝爾物理學(xué)獎獲得者Frank Wilczek

撰文 | 林鳳生(上海大學(xué)教授)

01
色彩與色覺

“赤橙黃綠青藍(lán)紫,誰持彩練當(dāng)空舞?雨后復(fù)斜陽,關(guān)山陣陣蒼?!边@是出自《菩薩蠻·大柏地》的詞。在夏日的午后,雨過天晴空氣里充滿了雨珠,在斜陽的照射下映現(xiàn)出美麗的彩虹。

物理學(xué)說:光是一種電磁波,每一種顏色的光都有一定的波長,可見光由紅到紫對應(yīng)的波長在390-760納米。當(dāng)由七種色光組成的陽光照射到懸浮在天空的雨珠上,經(jīng)過入射、幾次反射,再折射離開雨珠,因為各種色光對水的折射率不一樣發(fā)生了色散,形成了一條彩色的虹。折射光進入觀察者的眼睛,人就看到了彩虹。

請讀者留意:觀察者看到的赤橙黃綠青藍(lán)紫是一種主觀體驗,叫做色覺。與光學(xué)上說的色光(一定頻率的電磁波)不是一回事。色覺是人的一種主觀體驗,所以大千世界里的五光十色,在每個人的眼里、頭腦里的感覺也是不盡相同的。

02
色覺的三要素

為了能精準(zhǔn)地描述人對顏色的感受,生理—心理學(xué)提出三要素概念:色調(diào)、飽和度和亮度。色調(diào)也就是顏色,赤、橙、紅、綠、青、藍(lán)和紫等來自太陽光的叫做光譜色,此外還有紫紅、洋紅、苯胺紫、棕褐色、橄欖綠等光譜中沒有的顏色。

飽和度也就是顏色的深淺,在紅色中加了一些白色就成了飽和度較低的粉紅色。亮度是一個容易與物理學(xué)里光的強度混淆的概念。在物理學(xué)中光的強度取決于單位時間里發(fā)射的光量子的數(shù)目,而視覺感受到的顏色亮度與此大相徑庭。

例如強度完全相同的黃色光和藍(lán)色光,人眼看起來黃光更亮,藍(lán)光要昏暗得多。道理很簡單,因為人的視網(wǎng)膜對550納米的黃綠光最為靈敏,所以感覺最亮。這也是人類萬億年視覺進化的成果吧!因為在地球表面,波長在這個區(qū)域的光線強度最大。(以前用的白熾燈發(fā)光也在這個區(qū)域。近年來嶄露頭角的LED燈和其它光源,他們通常發(fā)出波長450納米的藍(lán)色光,雖然節(jié)約了能源,對視網(wǎng)膜的損傷恐怕不容小覷。)而由此進化而來的人的眼球,前部的黃色晶狀體,不僅是一個可以調(diào)節(jié)焦距的透鏡,還起到了一個濾色鏡的作用。

圖1:莫奈《日本橋》

它為黃綠色光的通過大開方便之門,對藍(lán)色和紫色的光有一定的吸收和阻礙,并截然切斷了波長范圍為400納米的遠(yuǎn)紫色部分。年老的畫家在繪畫里比較少的使用藍(lán)色的或紫色的色調(diào)。就是因為隨著年齡增大,眼睛晶狀體的黃色越深,對于一般的藍(lán)色與紫色看不見了。圖1是莫奈大師82歲畫的《日本橋》,原來就有白內(nèi)障的他由于晶狀體黃色沉積又患上了黃視癥,看到的一切都泛黃色,在畫中可見一斑。

他哀傷地說:“紅色對我來說像泥巴,橙色太談,許多顏色都離我而去?!碑嬛谐霈F(xiàn)的少許紫藍(lán)色,據(jù)記載是他憑顏料錫管上的標(biāo)簽來辨認(rèn)它們的,因為此時的莫奈已經(jīng)分不清顏色了。莫奈在接受第二次白內(nèi)障手術(shù)時,醫(yī)生摘掉了他的晶狀體,于是他看出去一些東西又都成紫色,不得不去配了一付黃色的濾色鏡才能看到東西。后來的抽象畫派推崇莫奈大師的晚期畫出了“最柔和、最蒙朧、最迷幻的美麗作品”。

近十幾年來的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn),眼球的晶狀體會變得混濁、發(fā)黃不僅僅是老年人的專利,在紫外線強烈的熱帶地區(qū)的居民也會如此。事實上,這是晶狀體自我保護的一種手段,進而引起了視覺障礙,所以那里的土著人會看不到藍(lán)色,甚至在他們的語言里沒有“藍(lán)色”一詞。

03
二種視覺細(xì)胞

人的視網(wǎng)膜里存在二種視覺細(xì)胞:錐細(xì)胞和桿細(xì)胞。錐細(xì)胞有600萬個,主要集中在視網(wǎng)膜中心,有一個小而淺的凹處稱為小窩,比針尖還小,眼睛所有細(xì)微的觀察都要靠它;桿細(xì)胞有1.2億個,分布在視網(wǎng)膜的四周外圍。

正是這兩種神經(jīng)器官的聯(lián)袂工作、交替活動,讓人既能看到色彩繽紛的美景,也能感受灰暗朦朧的夜色,既能全神貫注地注視物體的精細(xì)結(jié)構(gòu),也能通過匆匆一瞥了解環(huán)境的大體輪廓。而人的眼球在大腦反饋的指令下不斷地運動,使視網(wǎng)膜上的圖像不斷地更迭變化,派生出許許多多奇妙的神經(jīng)感受。

在極弱的光線下,比如星光或不太明亮的月光下,只有桿細(xì)胞在起作用,靈敏度差一點的錐細(xì)胞則完全沒有被激發(fā);在較弱的光線下(大約是人眼所能感應(yīng)的最低亮度的一千倍時),錐細(xì)胞便開始起作用了,對顏色有微弱感覺是它們開始起作用的標(biāo)志;在中等亮度范圍內(nèi),桿細(xì)胞和錐細(xì)胞同時起作用。隨著亮度的增大,錐細(xì)胞開始主宰了視覺,這時我們看到的是五光十色的大千世界。

有趣的是,在外界光線由強轉(zhuǎn)弱或由弱轉(zhuǎn)強的過程中,由于是二種兩種視覺細(xì)胞的聯(lián)袂工作,還會產(chǎn)生一種奇妙視覺現(xiàn)象——浦肯雅現(xiàn)象。

圖2:二種視覺細(xì)胞(桿細(xì)胞和錐細(xì)胞)對不同波長的電磁波的光感受

浦肯野(1787—1869),捷克生理學(xué)家,在神經(jīng)科學(xué)上多有建樹。1825年他觀察到一種現(xiàn)象:在凌晨的曙光中藍(lán)色物體看起來要比紅色物體亮一些,但是隨著晨光的到來,它們又逐漸變暗。

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是二種視覺細(xì)胞對光譜的感光度上有很大的差別: 桿細(xì)胞的最大感光度大約在500納米的藍(lán)綠光區(qū)域(靠近藍(lán)色);而錐細(xì)胞的最大感光度在560納米的黃綠光(靠近紅色)(圖2)。所以當(dāng)我們從成像不佳的弱光轉(zhuǎn)為成像清晰的強光時,人眼的感光度會移向紅端,所以原來比較暗的紅色也變得與藍(lán)色一樣亮了。

為了讓讀者感受浦肯雅現(xiàn)象的奇妙,筆者選擇了一幅蒙特里安的作品《紅、黃、藍(lán)》(圖3),想借助畫面上非常濃郁而純凈的藍(lán)色和紅色來做試驗。荷蘭畫家蒙特里安是藝術(shù)史上著名的抽象畫大師,“格子畫”是他后期的特色,在形式多種多樣的格子里分別涂上了黃色、紅色和藍(lán)色。請讀者先在昏暗的環(huán)境下觀看此畫,然后在日光下觀看,此時你可以觀察到浦肯野現(xiàn)象。

圖3:原來明亮的藍(lán)色漸次顯得黯談,而紅色的卻格外鮮艷。

事實上,在觀眾的眼睛里,不同的外部光線作用下,畫上的顏色會發(fā)生變化,這種類似的效應(yīng)還有如燭光效應(yīng)。20世紀(jì)前,許多畫家在創(chuàng)作的時候常常用燭光照明,燭光是一種橙色的光源,后來他們的作品放在博物館里展覽的時候都用白光照明。所以觀眾在博物館里看到的與原作比較,在色彩的感覺上有很大的區(qū)別。畢加索的某些展覽作品呈現(xiàn)藍(lán)色(圖4),被藝術(shù)史家稱為他創(chuàng)作的“藍(lán)色時期”,最近有文獻說,這也許是燭光效應(yīng)在起作用。

圖4:畢加索《藍(lán)色時期的作品》

04
一條視覺的顏色通道

1964年,由生理學(xué)家E.F MacNichol用實驗發(fā)現(xiàn)承擔(dān)顏色感知主要任務(wù)的視錐細(xì)胞有三種類型:第一類對波長420納米藍(lán)色光最靈敏(藍(lán)視錐細(xì)胞);第二類對波長534納米綠色光最靈敏(綠視錐細(xì)胞);第三類對波長564納米紅色光最靈敏(紅視錐細(xì)胞),它們組合起來使人的眼睛可以分辨100萬種顏色。

視錐細(xì)胞送到視神經(jīng)的信息是一連串電脈沖,送出電脈沖的速率依賴于光的強度和波長。視覺神經(jīng)通路從視網(wǎng)膜開始,到達(dá)大腦的初級皮層V1區(qū),然后把專門處理顏色、形狀等信息通向顳葉,這一條通路也稱為小細(xì)胞系統(tǒng)。與專門處理空間、運動等信息、也經(jīng)過初級皮層V1區(qū),再通向大腦頂葉的大細(xì)胞系統(tǒng)相對獨立,互相配合。

大腦在接收到視覺信息后還要與原來貯存的信息資料分析、比較才能得出結(jié)論。例如盆栽的紅花、綠葉在昏暗的照明下,桿細(xì)胞獲取的是黛花、灰葉的信息,但大腦經(jīng)過判斷仍然確認(rèn)它是紅花綠葉。有一種比喻,把確定空間位置和運動的大細(xì)胞系統(tǒng)看成是“視知覺家庭”的男主人,把處理顏色的小細(xì)胞系統(tǒng)看成是家里的太太,起著添光增彩作用,到也十分形象。

小細(xì)胞系統(tǒng)是接收和傳遞顏色信息的主要通道,其中任何一個環(huán)節(jié)受損,便會讓病人的視野大為遜色。圖5是三幅筆者參考了由視覺神經(jīng)科學(xué)家OliverSack通過測試制作的圖像原理,重新找到一幅梵高的作品圖制作的。

圖5(上):梵高《風(fēng)景》——正常人眼里的圖像

圖5(中):紅\綠色盲病人眼見的圖像:梵高《風(fēng)景》,畫中的綠色草地和紅色的房頂都褪色了

圖5(下):色盲病人眼中的梵高《風(fēng)景》

上圖是一般人的視覺圖像;中圖是第二類\第三類視覺錐細(xì)胞有缺損的病人見到的視覺圖像;圖中顯示的紅\綠顏色與正常視覺有很大差異;下圖是大腦處理色彩部分受到損傷者見到的視覺圖像,完全失去光彩,成為灰蒙蒙的一片。

科學(xué)家說造成色盲(中圖)的原因是位于X染色體上的長—中波長的視錐細(xì)胞基因缺損。由于女性有兩條X染色體,而男性只有一條。因此,帶有一個基因突變的女性還可以有正常的色覺,而男性沒有這樣的幸運,就此造成色覺異常了,所以有男性色盲占多數(shù),而女性色盲者不足百分之一。

事實上,第二類\第三類視覺錐細(xì)胞有缺損的病人也不是真正的色盲,他們還是能夠與正常人一樣區(qū)分許多顏色,只是會把幾組正常人看起來不同的色彩當(dāng)做一樣的了。第一類視覺錐細(xì)胞的自我保護能力遠(yuǎn)勝于上述二類,因為每個人都有它的基因拷貝,所以很少見到有因缺少短波長的視錐細(xì)胞基因而無法區(qū)別黃綠及藍(lán)色光的病例。而大腦處理色彩的部分受到傷害了,視覺景象成了真正的“黑白”片。

有趣的是,一些著名的繪畫大師也是紅\綠顏色盲,如英國風(fēng)景畫家JohnConstable,就是一位,當(dāng)他看到粉色、紅色或者橘黃色時候,他無法感知紅色的部分,所以只能看到剩下的綠色和藍(lán)色。圖6是他的代表作《威文侯公園》,從中也可以看出一些端倪。

圖6:John Constable《威文侯公園》

我國近代著名畫家黃賓虹88歲的時候,白內(nèi)障急遽惡化,雙目近乎失明。顯然他視網(wǎng)膜的黃斑受損,色覺已經(jīng)蕩然無存,但是黃賓虹仍作畫不輟,畫風(fēng)一新,不過都是沒上顏色的水墨畫。

黃賓虹《山水畫》89歲作品

05
色覺與情感

正由于人類具有比較敏銳的色覺系統(tǒng)(3種視錐細(xì)胞和一條專門的視覺的顏色通道),較之大多數(shù)只有2種、甚至1種視錐細(xì)胞,只能感受灰色、無趣環(huán)境的哺乳類動物不同。有幸享受大千世界里的色彩繽紛。

諾貝爾物理學(xué)獎獲得者Frank Wilczek說:“色彩是大自然對人類的微笑?!彼囆g(shù)史家貢布里希也說:“沒有一種視覺元素能夠像色彩那樣給我們那么多的愉悅。”所以,色彩與人的情感之間的關(guān)系相當(dāng)密切。許多人都有自己喜歡的色彩,并且總是受到它的吸引:他們會穿這種顏色的衣服,甚至把房間的墻壁涂成這種顏色。

研究證明,色彩能夠影響人的心理和生理反應(yīng)。研究美學(xué)的英國心理學(xué)家布洛(Edward Bullough)認(rèn)為,色彩最容易引起人的兩種心理活動:聯(lián)想和移情,而這兩種心理活動恰好是啟動人的情感活動的金鑰匙。人們在看到某種顏色時,往往立刻想到和它有關(guān)的事物,例如看見藍(lán)色就想到天空和海洋,見到綠色就想到草木。再進一步,聯(lián)想可以把以往附著在某種事物上的情感轉(zhuǎn)移到和它相關(guān)的顏色上去,比如我們把綠色與生命、健康、環(huán)保和生機勃勃聯(lián)系起來,把它看成生命與自然的象征,這便是移情。

當(dāng)然,這樣的感受因人而異。不過,色彩絢麗的作品容易引起觀眾的共鳴,這也是不爭的事實。所以,20世紀(jì)初,當(dāng)西方擺脫了寫實傳統(tǒng)的桎梏,以色彩為特點的現(xiàn)代繪畫流派就脫穎而出,圖7是20世紀(jì)初橫空出世的野獸派大師馬蒂斯的《紅色的餐桌》,他的作品濃墨重彩,非常吸引觀眾的眼球。

圖7:《紅色的餐桌》

圖8:邁克爾·懷特設(shè)計的實驗圖,其右側(cè)的灰色看上去似乎要比左側(cè)的灰線更加明亮。但是,測量儀器會告知我們,它們的灰度是完全一樣的。

雖說色覺是人類對顏色的感覺,是一種主觀體驗,不僅僅取決于人的視覺系統(tǒng)、大腦的視皮層,以及人的心理和生理等等個人因素,與被觀察的客觀對象息息相關(guān)也是顯而易見的。

最值得關(guān)注的(也是畫家最需要掌握的)是視場對比(見圖8)。讀者有體會,把二種不同的色彩放在一起,觀察者對色彩的感受會發(fā)生改變。


關(guān)注【深圳科普】微信公眾號,在對話框:
回復(fù)【最新活動】,了解近期科普活動
回復(fù)【科普行】,了解最新深圳科普行活動
回復(fù)【研學(xué)營】,了解最新科普研學(xué)營
回復(fù)【科普課堂】,了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書籍】,了解最新科普書籍
回復(fù)【團體定制】,了解最新團體定制活動
回復(fù)【科普基地】,了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥知識】,學(xué)習(xí)觀鳥相關(guān)科普知識
回復(fù)【博物學(xué)院】,了解更多博物學(xué)院活動詳情

聽說,打賞我的人最后都找到了真愛。
做科普,我們是認(rèn)真的!
掃描關(guān)注深i科普公眾號
加入科普活動群
  • 參加最新科普活動
  • 認(rèn)識科普小朋友
  • 成為科學(xué)小記者