科技|五光十色的世界，为何在每个人眼里不尽相同？
【科技|五光十色的世界，为何在每个人眼里不尽相同？】色彩是大自然对人类的微笑 。
——诺贝尔物理学奖获得者Frank Wilczek
撰文 | 林凤生（上海大学教授）
01
色彩与色觉
“赤橙黄绿青蓝紫 ， 谁持彩练当空舞？雨后复斜阳 ， 关山阵阵苍 。 ”这是出自《菩萨蛮·大柏地》的词 。 在夏日的午后 ， 雨过天晴空气里充满了雨珠 ， 在斜阳的照射下映现出美丽的彩虹 。
物理学说：光是一种电磁波 ， 每一种颜色的光都有一定的波长 ， 可见光由紫到红对应的波长在390-760纳米 。 当由七种色光组成的阳光照射到悬浮在天空的雨珠上 ， 经过入射、几次反射 ， 再折射离开雨珠 ， 因为各种色光对水的折射率不一样发生了色散 ， 形成了一条彩色的虹 。 折射光进入观察者的眼睛 ， 人就看到了彩虹 。
请读者留意：观察者看到的赤橙黄绿青蓝紫是一种主观体验 ， 叫做色觉 。 与光学上说的色光（一定频率的电磁波）不是一回事 。 色觉是人的一种主观体验 ， 所以大千世界里的五光十色 ， 在每个人的眼里、头脑里的感觉也是不尽相同的 。
02
色觉的三要素
为了能精准地描述人对颜色的感受 ， 生理—心理学提出三要素概念：色调、饱和度和亮度 。 色调也就是颜色 ， 赤、橙、红、绿、青、蓝和紫等来自太阳光的叫做光谱色 ， 此外还有紫红、洋红、苯胺紫、棕褐色、橄榄绿等光谱中没有的颜色 。
饱和度也就是颜色的深浅 ， 在红色中加了一些白色就成了饱和度较低的粉红色 。 亮度是一个容易与物理学里光的强度混淆的概念 。 在物理学中光的强度取决于单位时间里发射的光量子的数目 ， 而视觉感受到的颜色亮度与此大相径庭 。
例如强度完全相同的黄色光和蓝色光 ， 人眼看起来黄光更亮 ， 蓝光要昏暗得多 。 道理很简单 ， 因为人的视网膜对550纳米的黄绿光最为灵敏 ， 所以感觉最亮 。 这也是人类万亿年视觉进化的成果吧！因为在地球表面 ， 波长在这个区域的光线强度最大 。 （以前用的白炽灯发光也在这个区域 。 近年来崭露头角的LED灯和其它光源 ， 他们通常发出波长450纳米的蓝色光 ， 虽然节约了能源 ， 对视网膜的损伤恐怕不容小觑 。 ）而由此进化而来的人的眼球 ， 前部的黄色晶状体 ， 不仅是一个可以调节焦距的透镜 ， 还起到了一个滤色镜的作用 。
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图1：莫奈《日本桥》
它为黄绿色光的通过大开方便之门 ， 对蓝色和紫色的光有一定的吸收和阻碍 ， 并截然切断了波长范围为400纳米的远紫色部分 。 年老的画家在绘画里比较少的使用蓝色的或紫色的色调 。 就是因为随着年龄增大 ， 眼睛晶状体的黄色越深 ， 对于一般的蓝色与紫色看不见了 。 图1是莫奈大师82岁画的《日本桥》 ， 原来就有白内障的他由于晶状体黄色沉积又患上了黄视症 ， 看到的一切都泛黄色 ， 在画中可见一斑 。
他哀伤地说：“红色对我来说像泥巴 ， 橙色太谈 ， 许多颜色都离我而去 。 ”画中出现的少许紫蓝色 ， 据记载是他凭颜料锡管上的标签来辨认它们的 ， 因为此时的莫奈已经分不清颜色了 。 莫奈在接受第二次白内障手术时 ， 医生摘掉了他的晶状体 ， 于是他看一些东西又都成紫色 ， 不得不去配了一副黄色的滤色镜才能看到东西 。 后来的抽象画派推崇莫奈大师的晚期画出了“最柔和、最蒙胧、最迷幻的美丽作品” 。
近十几年来的科学研究发现 ， 眼球的晶状体会变得混浊、发黄不仅仅是老年人的专利 ， 在紫外线强烈的热带地区的居民也会如此 。 事实上 ， 这是晶状体自我保护的一种手段 ， 进而引起了视觉障碍 ， 所以那里的土著人会看不到蓝色 ， 甚至在他们的语言里没有“蓝色”一词 。
03
二种视觉细胞
人的视网膜里存在二种视觉细胞：锥细胞和杆细胞 。 锥细胞有600万个 ， 主要集中在视网膜中心 ， 有一个小而浅的凹处称为小窝 ， 比针尖还小 ， 眼睛所有细微的观察都要靠它；杆细胞有1.2亿个 ， 分布在视网膜的四周外围 。
正是这两种神经器官的联袂工作、交替活动 ， 让人既能看到色彩缤纷的美景 ， 也能感受灰暗朦胧的夜色 ， 既能全神贯注地注视物体的精细结构 ， 也能通过匆匆一瞥了解环境的大体轮廓 。 而人的眼球在大脑反馈的指令下不断地运动 ， 使视网膜上的图像不断地更迭变化 ， 派生出许许多多奇妙的神经感受 。
在极弱的光线下 ， 比如星光或不太明亮的月光下 ， 只有杆细胞在起作用 ， 灵敏度差一点的锥细胞则完全没有被激发；在较弱的光线下（大约是人眼所能感应的最低亮度的一千倍时） ， 锥细胞便开始起作用了 ， 对颜色有微弱感觉是它们开始起作用的标志；在中等亮度范围内 ， 杆细胞和锥细胞同时起作用 。 随着亮度的增大 ， 锥细胞开始主宰了视觉 ， 这时我们看到的是五光十色的大千世界 。
有趣的是 ， 在外界光线由强转弱或由弱转强的过程中 ， 由于是二种两种视觉细胞的联袂工作 ， 还会产生一种奇妙视觉现象——浦肯雅现象 。
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图2：二种视觉细胞（杆细胞和锥细胞）对不同波长的电磁波的光感受
浦肯野（1787—1869） ， 捷克生理学家 ， 在神经科学上多有建树 。 1825年他观察到一种现象：在凌晨的曙光中蓝色物体看起来要比红色物体亮一些 ， 但是随着晨光的到来 ， 它们又逐渐变暗 。
产生这种现象的原因是二种视觉细胞对光谱的感光度上有很大的差别: 杆细胞的最大感光度大约在500纳米的蓝绿光区域（靠近蓝色）；而锥细胞的最大感光度在560纳米的黄绿光（靠近红色）（图2） 。 所以当我们从成像不佳的弱光转为成像清晰的强光时 ， 人眼的感光度会移向红端 ， 所以原来比较暗的红色也变得与蓝色一样亮了 。
为了让读者感受浦肯雅现象的奇妙 ， 笔者选择了一幅蒙特里安的作品《红、黄、蓝》（图3） ， 想借助画面上非常浓郁而纯净的蓝色和红色来做试验 。 荷兰画家蒙特里安是艺术史上著名的抽象画大师 ， “格子画”是他后期的特色 ， 在形式多种多样的格子里分别涂上了黄色、红色和蓝色 。 请读者先在昏暗的环境下观看此画 ， 然后在日光下观看 ， 此时你可以观察到浦肯野现象 。
图3：原来明亮的蓝色渐次显得黯谈 ， 而红色的却格外鲜艳 。
事实上 ， 在观众的眼睛里 ， 不同的外部光线作用下 ， 画上的颜色会发生变化 ， 这种类似的效应还有如烛光效应 。 20世纪前 ， 许多画家在创作的时候常常用烛光照明 ， 烛光是一种橙色的光源 ， 后来他们的作品放在博物馆里展览的时候都用白光照明 。 所以观众在博物馆里看到的与原作比较 ， 在色彩的感觉上有很大的区别 。 毕加索的某些展览作品呈现蓝色（图4） ， 被艺术史家称为他创作的“蓝色时期” ， 最近有文献说 ， 这也许是烛光效应在起作用 。
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图4：毕加索蓝色时期的作品
04
一条视觉的颜色通道
1964年 ， 由生理学家E.F MacNichol用实验发现承担颜色感知主要任务的视锥细胞有三种类型：第一类对波长420纳米蓝色光最灵敏（蓝视锥细胞）；第二类对波长534纳米绿色光最灵敏（绿视锥细胞）；第三类对波长564纳米红色光最灵敏（红视锥细胞） ， 它们组合起来使人的眼睛可以分辨100万种颜色 。
视锥细胞送到视神经的信息是一连串电脉冲 ， 送出电脉冲的速率依赖于光的强度和波长 。 视觉神经通路从视网膜开始 ， 到达大脑的初级皮层V1区 ， 然后把专门处理颜色、形状等信息通向颞叶 ， 这一条通路也称为小细胞系统 。 与专门处理空间、运动等信息、也经过初级皮层V1区 ， 再通向大脑顶叶的大细胞系统相对独立 ， 互相配合 。
大脑在接收到视觉信息后还要与原来贮存的信息资料分析、比较才能得出结论 。 例如盆栽的红花、绿叶在昏暗的照明下 ， 杆细胞获取的是黛花、灰叶的信息 ， 但大脑经过判断仍然确认它是红花绿叶 。 有一种比喻 ， 把确定空间位置和运动的大细胞系统看成是“视知觉家庭”的男主人 ， 把处理颜色的小细胞系统看成是家里的太太 ， 起着添光增彩作用 ， 到也十分形象 。
小细胞系统是接收和传递颜色信息的主要通道 ， 其中任何一个环节受损 ， 便会让病人的视野大为逊色 。 图5是三幅笔者参考了由视觉神经科学家OliverSack通过测试制作的图像原理 ， 重新找到一幅梵高的作品图制作的 。
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图5（上）：梵高《风景》——正常人眼里的图像
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图5（中）：红\绿色盲病人眼见的图像：梵高《风景》 ， 画中的绿色草地和红色的房顶都褪色了
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图5（下）：色盲病人眼中的梵高《风景》
上图是一般人的视觉图像；中图是第二类\第三类视觉锥细胞有缺损的病人见到的视觉图像；图中显示的红\绿颜色与正常视觉有很大差异；下图是大脑处理色彩部分受到损伤者见到的视觉图像 ， 完全失去光彩 ， 成为灰蒙蒙的一片 。
科学家说造成色盲（中图）的原因是位于X染色体上的长—中波长的视锥细胞基因缺损 。 由于女性有两条X染色体 ， 而男性只有一条 。 因此 ， 带有一个基因突变的女性还可以有正常的色觉 ， 而男性没有这样的幸运 ， 就此造成色觉异常了 ， 所以有男性色盲占多数 ， 而女性色盲者不足百分之一 。
事实上 ， 第二类\第三类视觉锥细胞有缺损的病人也不是真正的色盲 ， 他们还是能够与正常人一样区分许多颜色 ， 只是会把几组正常人看起来不同的色彩当做一样的了 。 第一类视觉锥细胞的自我保护能力远胜于上述二类 ， 因为每个人都有它的基因拷贝 ， 所以很少见到有因缺少短波长的视锥细胞基因而无法区别黄绿及蓝色光的病例 。 而大脑处理色彩的部分受到伤害了 ， 视觉景象成了真正的“黑白”片 。
有趣的是 ， 一些著名的绘画大师也是红\绿颜色盲 ， 如英国风景画家JohnConstable ， 就是一位 ， 当他看到粉色、红色或者橘黄色时候 ， 他无法感知红色的部分 ， 所以只能看到剩下的绿色和蓝色 。 图6是他的代表作《威文侯公园》 ， 从中也可以看出一些端倪 。
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图6：John Constable《威文侯公园》
我国近代著名画家黄宾虹88岁的时候 ， 白内障急遽恶化 ， 双目近乎失明 。 显然他视网膜的黄斑受损 ， 色觉已经荡然无存 ， 但是黄宾虹仍作画不辍 ， 画风一新 ， 不过都是没上颜色的水墨画 。
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黄宾虹《山水画》89岁作品
05
色觉与情感
正由于人类具有比较敏锐的色觉系统（3种视锥细胞和一条专门的视觉的颜色通道） ， 较之大多数只有2种、甚至1种视锥细胞 ， 只能感受灰色、无趣环境的哺乳类动物不同 。 有幸享受大千世界里的色彩缤纷 。
诺贝尔物理学奖获得者Frank Wilczek说：“色彩是大自然对人类的微笑 。 ”艺术史家贡布里希也说：“没有一种视觉元素能够像色彩那样给我们那么多的愉悦 。 ”所以 ， 色彩与人的情感之间的关系相当密切 。 许多人都有自己喜欢的色彩 ， 并且总是受到它的吸引：他们会穿这种颜色的衣服 ， 甚至把房间的墙壁涂成这种颜色 。
研究证明 ， 色彩能够影响人的心理和生理反应 。 研究美学的英国心理学家布洛（Edward Bullough）认为 ， 色彩最容易引起人的两种心理活动：联想和移情 ， 而这两种心理活动恰好是启动人的情感活动的金钥匙 。 人们在看到某种颜色时 ， 往往立刻想到和它有关的事物 ， 例如看见蓝色就想到天空和海洋 ， 见到绿色就想到草木 。 再进一步 ， 联想可以把以往附着在某种事物上的情感转移到和它相关的颜色上去 ， 比如我们把绿色与生命、健康、环保和生机勃勃联系起来 ， 把它看成生命与自然的象征 ， 这便是移情 。
当然 ， 这样的感受因人而异 。 不过 ， 色彩绚丽的作品容易引起观众的共鸣 ， 这也是不争的事实 。 所以 ， 20世纪初 ， 当西方摆脱了写实传统的桎梏 ， 以色彩为特点的现代绘画流派就脱颖而出 ， 图7是20世纪初横空出世的野兽派大师马蒂斯的《红色的餐桌》 ， 他的作品浓墨重彩 ， 非常吸引观众的眼球 。
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图7：《红色的餐桌》
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图8：迈克尔·怀特设计的实验图 ， 其右侧的灰色看上去似乎要比左侧的灰线更加明亮 。 但是 ， 测量仪器会告知我们 ， 它们的灰度是完全一样的 。
虽说色觉是人类对颜色的感觉 ， 是一种主观体验 ， 不仅仅取决于人的视觉系统、大脑的视皮层 ， 以及人的心理和生理等等个人因素 ， 与被观察的客观对象息息相关也是显而易见的 。
最值得关注的（也是画家最需要掌握的）是视场对比（见图8） 。 读者有体会 ， 把二种不同的色彩放在一起 ， 观察者对色彩的感受会发生改变 。
制版编辑 | Morgan
来源：赛先生
编辑：hxg
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