我們看到的黑白世界和彩色世界，這裡麵包含著多少科學道理？

太陽光是不是複合光

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

常常看到網友有這樣的疑問：為什麼有白天和黑夜？為什麼我們看到的是一個多彩的世界？這是世界本來的樣子嗎？其中蘊含著什麼科學道理。

我的回答是：這既是世界本來的樣子，其中也蘊含著很多很多的科學道理。

這些道理包括：地球自轉、電磁輻射、可見光波長、光的吸收和反射等等，下面我們就一樣一樣來討論。

首先說說白天和黑夜。

簡單的回答就是地球自轉導致了白天和黑夜。

地球每天轉一圈，這樣太陽的光照也每天圍繞著地球轉一圈，被太陽照到的地方就是白天，不被太陽照到的地方就是黑夜。

但事實上，黑夜並不完全是黑的，有星光和月光，還有燈光。

白天有陰影，黑夜有光明。因此我們的世界並不是非黑即白黑白分明。

而且我們現在越來越難看到很黑很黑的夜晚了，甚至連天上的星星看到的都越來越少，不是因為有烏雲遮擋，而是由於“光”太多。

這就是“光汙染”。

什麼是“光汙染”？就是我們周圍的環境光越來越多，不管是白天還是夜晚，都有各種光在影響著人們的視野，包括白亮汙染、人工白晝汙染和彩光汙染。

這樣人們再也難以看到漆黑的夜空，難以看到清晰的星空。

據說有人還要弄個人造月亮，時空通訊十分不以為然。這是多餘的話，不在這裡討論。

幸好世界上還有一些犄角旮旯深山老林，還會有“伸手不見五指”的黑夜存在，當然，那一定是烏雲籠罩沒有星光和月光的深夜。

但這並不等於有“純黑”。

理論上講，在地球自然環境，不可能存在純黑的地方。

晚上，太陽雖然到了地球的另一面，光源不會直射到我們的眼中，而且烏雲籠罩，沒有人工光源，也就是伸手不見五指的夜晚，其實也不是純黑。

地球上充滿的大氣，大氣是有折射衍射反射功能的，太陽光照射到地球的另一面，會透過大氣有些許的衍射折射反射過來，因此即便最漆黑的夜晚也還是有一點點亮光。

因為人眼有視覺極限，能不能看到漆黑夜晚那一點點亮光，則另當別論。

在我們的世界，不存在完全的黑體。

黑體是不會反射和透射任何電磁波的物質，就是理論上100%吸收電磁波，當然也包括可見光。這種把所有的光一點不剩的吞噬掉，而且不透露一點出來，當然就是純黑的了。

可迄今為止，除了黑洞，人們並沒有發現這樣的物質。但黑洞是一種存在，已經不是“物質”。

將光源從普通黑色物質移到奈米碳管黑體時，反光消失。

前幾年有一則報道，說英國 Surrey Nano Systems 公司的科學家們做出了世界上最黑的物質，英文名叫Vantablack，翻譯過來就是奈米碳管黑體。

這種材質每平方釐米由約10億個緊密排列成束狀的碳奈米管組成，吸光能力可以達到99。65%，當時被譽為世界上最黑的物質。

但這個“最黑”去年被美國麻省理工學院的MIT團隊所打破。他們在製作一種導電材料時無心插柳，製造出了吸光能力達到99。995%的材料。但這種材料與Vantablack幾乎一樣，也是由奈米碳管組成。

這些材料的吸光度雖然人類肉眼已經無法辨識，但還是有一絲光會反射出來，如前者反射率為0。035%，後者反射率為0。005%，比前者降低了7倍。

看到這，可能大家有了一種感覺，原來我們看到的任何東西都是由於光的原因。

是的，我們看到的一切都是因為有光。

人眼對光和物體有一個分辨極限。

人眼是一個複雜的器官，視網膜內有約600萬～800萬個視錐細胞，1。25億個視杆細胞，人就是靠這些來分辨和分解物體形象。

但人眼分辨物體是有極限的，主要是亮度和大小範圍。

人眼感受亮度範圍在10^-3~10^6cd/m。

cd是指發光強度單位，稱“坎德拉”。1cd表示1支燭光在一個立體角（半徑為1米的單位圓球上，1平米的球冠所對應的球錐所代表的角度，其對應中截面的圓心角約65°）上產生的總髮射光通量。

在夜晚或者暗室中，當亮度低於10^-2cd/m時，人眼錐狀細胞失去感光作用，但桿狀細胞會取代視覺功能，人眼會失去感覺色彩的能力，只能看到微弱的白色和灰色。當亮度低於10^-3cd/m時，人員感光能力喪失，也就是無法看到。

人眼在10~10000cd/m時，是最舒適的亮度，在1000cd/m時，識別度最高。

10^6cd/m是人眼能夠承受亮度的上限，長時間看這種亮度的物體視覺細胞會受到損害，甚至失明。

我們日常生活的一些物體亮度為（cd/m）：太陽1。5x10^9，日光燈12000，月光1000，現代大螢幕電視約300。

人眼還有分辨視度。

單眼舒適適度約60度，兩眼重合視度約124°，但集中注意力時約為25°；

在明視情況下，正常視力最小分辨張角約0。57~1‘（1角分），可以看清距離25釐米遠0。073毫米的兩個點。

也就是說太小太遠的物體，在人眼中無法成像，因此就看不到。

人類能夠看到物體，需要有光這個前提，在適合的亮度下和視度下才能夠在視網膜成像，否則就無法看到物體。

那麼，光是一種怎樣的存在呢？

光，從某種意義上來說就是電磁波。電磁波與我們的生活息息相關，每天不管你願意不願意，都在與電磁波打交道，沒有一個人能夠置身事外。

我們看到的每一縷光都是電磁波，我們看不到的手機訊號、電視訊號、各種電器的使用，還有看不見的各種射線，都是電磁波。可以說每個人都置身在電磁波的海洋中。

電磁波的本質就是“光”，由可見光和不可見光組成，可見光就是我們能看到的光，只在電磁波譜裡面佔有極小的一個頻段。

電磁波波長從長到短，分為無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線。

這裡面除了可見光，其餘都是不可見光。

但這些不可見光只是針對人類人類而言，有的動物可以看到紅外線和紫外線，比如蜜蜂、蛇類、甲殼蟲等，都能夠感受到紅外線或者紫外線。

因此這些對人類來說的不可見光，對它們就是可見光。

充斥我們世界的可見光，由兩大類組成。一部分是光源，就是本身能夠發出光的物體，如太陽、燈光、火光等等；

另一種就是本身不發光，會反射光的物質，如行星、月球、山水樹木、房屋道路、人豬狗牛等等，都是本身不發光的東西，有光源照射到這些物體身上，才會有光反射而被人類視網膜所捕捉。

這裡，光源佔有當然的主導地位，沒有光源，就沒有反射光，就是一個黑暗的世界。

人眼就是透過看到光源或者反射光源的光感受到物體存在的。

可見光是複合光，不同波段顯示不同的顏色。

太陽光看起來是白晃晃的，無色透明，其實陽光是複合光，是由多種顏色的光組成的。

這些顏色組合在一起，我們看到的才是白光（無色光）。

陽光穿過三稜鏡，會散射出七種基本顏色：紅、橙、黃、綠、青、藍、紫。

這七種顏色的波長都不同，人眼對不同波長的光，能夠感受到不同的顏色。

可見光的在電磁波譜裡只佔據很小的一段，波段約在380~760nm之間。

人眼看到620~760nm波長範圍的光，感受就是紅色；在590~620nm波長範圍感受就是橙色；在570~590nm波長範圍感受就是黃色；在490~570nm波長範圍感受就是綠色；在480~490nm波長範圍感受就是青色；在450~480nm波長範圍感受就是藍色；在380~450nm波長範圍感受就是紫色。

這些波長範圍只是大約，因此各種資料介紹並不完全統一。波長稍微長點短點顏色就是偏一點而已，因為顏色本身就是一種感受，沒有純正指標。

這些顏色的不同比例組合就形成了無數種顏色，從理論上來說，人眼對自然界的感受存在著無數種顏色。

但在計算機裡面，透過紅綠藍等三基色調和，用1個byte來表示一個顏色分量，劃分出0~256範圍，可以組成256x256x256=16777216種顏色。

所以，我們看到一個花花綠綠七彩繽紛的世界，並不是這個世界本身有這些顏色存在，而是人眼對光的感受和物體對光的吸收不同呈現出來的綜合現象。

各種物體都會吸收一定波長的光，反射出來的光組成了世界顏色。

前面說了，自然界迄今並沒有發現對光完全吸收和不透射的黑體，但任何物體都對不同波段的光有不同的吸收率和反射率。

而我們人眼對物體已經吸收了的光就看不見，對反射出來的光就感受到了。

這些被物體吸收了複合光中一部分不同波長的光，反射出來各種波長的光集合在一起，人眼就能感受到各種各樣的顏色。

人眼視網膜的感光細胞集中在正對瞳孔的黃斑區，是人類的明視器官，可以敏感的辨別光的強弱、顏色和細節。

當光以全波段呈現給人們時，我們看到的就是俗稱“白光”的無色光。我們看到的白色物體，就是因為這種物體基本沒有吸收光，或者說把接受到的光線全部反射出來了。

而黑色就是把光基本都吸收了，放出了多少，我們就能夠看到一點點反光；樹葉是因為吸收了陽光中其他波長的光，合成了葉綠素，不吸收綠光。

不同物體對不同波段的光吸收度不一樣，同一個物體不同角度對光的吸收度也不一樣，反射出來的光波也就不一樣，我們人眼看到各種不同比例光波柔和在一起的光，就形成了無數顏色組成的世界。

如果這個世界沒有光，人類沒有具有感光細胞的眼睛，我們就無法看到一個光明和彩色的世界。

這就是我們世界黑白與色彩的由來以及其中蘊含的科學道理。

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