光与颜色的本质
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光与颜色的本质
我们感知宇宙，但所见之物仅存于我们心中
匿名 2015年9月8日，星期二
光和颜色的自然现象与我们的日常生活息息相关，同时也是许多我们所致力于的科学技术的核心。然而，对这些现象的深入理解并不普遍。在这篇（或许还有后续的）文章中，我们将以对普通读者来说清晰易懂的水平来探讨这些主题。
这个主题的一个迷人之处在于，视觉感觉——就像我们的每一种感官一样——是对物理刺激的生理反应的心理诠释。我们习惯于处理光与物质相互作用的物理学，但视觉的感觉发生在大脑中。一个人“看到”的东西本质上是主观的——完全存在于他们的大脑中，并且通常是无法测量的。
"阳光下的云"，作者Ibrahim Iujaz，来自马尔代夫共和国。根据CC BY 2.0许可通过Commons共享
基本的科学素养包括理解光是一类电磁辐射，与无线电波、伽马射线、X射线等并列。电磁波通过宇宙向所有方向传播能量，并与物质相互作用，这些物质同时吸收和辐射这些波。可见光存在于电磁波谱中大约350纳米到750纳米波长的部分。紧邻这个范围之外的是波长更长的红外辐射和波长更短的紫外线。
所有电磁波的行为基本上是相同的，考虑到它们都是同一现象的表现形式，这并不奇怪。例如，所有电磁波在空间中以相同的速度传播——即光速——并且具有这样的特性：沿着波谱，波长减小，频率增加。不同电磁波之间的差异实际上只是程度问题，并且由于频率（或反过来说，波长）的差异而存在。光波——我们通常指的是可见光波——之所以独特，仅在于它们的视觉特性。我们通常所认为的颜色概念，实际上只在可见光的背景下才有意义。
"电磁波谱"。根据CC BY-SA 3.0许可通过Commons共享
“可见的”一词指的是可以被现存最多功能的辐射传感器——眼睛——探测到的频率。其敏感的视网膜内表面通过光化学反应对入射光线作出响应，将其转化为微弱的电脉冲，发送到大脑进行解释。我们所感知的——视觉感觉——完全发生在观察者的大脑中，这意味着它既是主观的，在很大程度上也是无法测量的。
例如，亮度是一个完全的心理概念。它是观察者脑海中体验到的一种感觉，无法用仪器测量。眼睛对变化的光照水平适应能力极强，因此是绝对亮度水平的极差检测器。在考虑光照时，我们谈论的是光源的强度，这个量取决于光源在给定方向上发出的总光量。亮度与观察者所经历的光刺激量有关。它对应于每单位面积光源强度的感知。这个可测量的量——亮度（luminance）——是一个心理物理变量的例子，它将一种心理反应（在这种情况下是亮度brightness）与相关的物理方面联系起来。
在人类历史的大部分时间里，人们认为光是无色的，只是通过光照揭示了物体固有的颜色特性。直到1630年，笛卡尔才将物体的颜色归因于从物体反射出来的光的某种变化。所有物体都因其物理结构而以某种组合反射、吸收并可能透射入射光，并且这种响应在波长上的变化被物体的观察者解释为颜色的感觉。这个过程如此自然，以至于很容易忽略色觉体验是多么复杂。当你观察一个物体时，你所看到的颜色取决于照射它的光的频率和强度、它反射或透射的光的频率、相邻物体的颜色，以及你与物体之间光线路径上任何材料的吸收、反射和透射。
"歌德，用于象征人类精神与灵魂生活的色轮，1809"，作者：Luestling；根据公有领域许可通过Commons共享
色觉感觉的心理方面包括色相、饱和度和亮度，这三者都无法直接测量。由于颜色无法通过物理方面精确指定，我们依赖于相关的心理物理变量：主波长、纯度和亮度（luminance）。
色相是我们借以区分光谱变化（从红到黄到绿到蓝等等）的感觉。大多数颜色样本可以通过将某种单色（纯）光添加到白光中来匹配。该光的波长被称为主波长。
"眼睛敏感度"，作者：Skatebiker，矢量图由Adam Rędzikowski制作 - File:Evesensitivity.svg，已矢量化。根据CC BY-SA 3.0许可通过Commons共享
饱和度是源于颜色中色相相对数量的感觉。纯度是与饱和度相关的心理物理变量。它是颜色样本中单色光量与白光量的比值。单色光的纯度为100%，白光为0%。
尽管色相、饱和度（依赖于总亮度luminance量的感觉）和亮度是颜色感知的三个组成部分，但它们并非彼此独立。改变其中一种特性往往会导致其他两种特性的变化。
无需深入探讨该主题的所有复杂性，很明显，光和颜色对我们的日常生活至关重要，也是人类技术的重要组成部分。合金的成分、各种材料的分子识别、遥远恒星的温度，以及其化学成分和速度——所有这些都可以通过光和颜色的分析来确定。在许多方面，光和颜色是人类与世界交互并从中获取意义的关键手段。当我们思考图像分析的解释时，可能会对这个主题产生兴趣。
"汞蒸气灯通过火石玻璃棱镜的色散"，IPNr°0125，作者：D-Kuru - 自己的作品。根据CC BY-SA 3.0许可通过Commons共享
