李治林：物理？生理？心理？——光与视觉【云里·悟理-第21课】

　　第二十一课

　　物理？生理？心理？——光与视觉

　　主讲人

　　《云里 · 悟理》系列微课简介

　　悟世界之道，析万物之理，我是中科院物理所副研究员李治林。我们这节课的主题是光与视觉，它是涉及到物理、化学、生物和心理等诸多学科的内容。如果我问你，世界上最常见的物质是什么，一个比较有趣的回答是光。

　　其实在宗教也好，神话也好，从上帝创世，到盘古开天，他们要做的第一件事，都是破除黑暗与混沌，创造光。宇宙大爆炸的早期，也已经产生了光子，直到现在整个宇宙，还有一个 2.7 K的微波背景辐射，可以说光是无处不的。

　　光是什么，有何性质？

　　01

　　光是一种物质，它具有能量，也具有动量。光的产生与电场密切相关，比如一对正负电荷对，它们就会产生一个电场，当它们之间产生相对运动的时候，电场发生了改变，变化的电场会产生变化的磁场，而变化的磁场也会在周围，产生一个变化的电场，如此循环往复，环环相扣，生生不息，就产生了一列波向前传播。

　　电磁场和电磁波

　　如果我们把它在三维空间中用矢量表示出来，就可以发现在远场处电场E和磁场H之间是相互垂直的。并且将两者叉乘以后，会形成一个向前传播的矢量。

　　在这里我们看到，光有几个特征的量，一个叫波长，一个叫频率，还有一个叫能量，而且它们之间是具有密切的关系的。比如说有一列波，如果在其传播速度一定的情况下，频率越高，波峰之间的间距，也就是波长，会越短。另外爱因斯坦的光电效应告诉我们，E=hν，也就是说光的能量是与频率成正比的。在这三个概念中，最为核心的其实是能量，光既然是电磁波，它就会有一个周期变化的电场，电子会在这个电场的作用下受到扰动，与光发生相互作用。

　　频率

　　能量

　　电子在原子中是处于一系列轨道上的。按现在的观点，我们抛却了轨道的概念，认为电子是电子云。但电子云也有不同的分布，当它吸收一个光子的时候，可以从一个较低能量的电子云的分布，变成一个较高能量的分布状态，在这个过程中会发生一些极化和变化。反过来，电子也可以从较高的能量状态，释放一个光子，回到较低的能量状态上。这里的能量变化，体现为一系列的能级，它就像台阶一样可以在上面，进行上下地移动，有一些元素因为这个能量差别，恰好处在可见光光子能量的范围内，所以就可以在火焰燃烧的时候体现出一定的色彩，这就是著名的“焰色反应”。化学中常常用焰色反应鉴别元素的种类。

　　焰色反应

　　不过可见光在整个电磁波的频率范围内仅仅占据非常窄的一小段。在整个频率范围中，我们有频率比较低的微波，也有频率非常高的X射线、γ射线，而可见光只有中间非常窄的一段，对应光子能量处于 1.6 到 3.2 电子伏特之间。但即便如此窄的频率和能量范围，就已经产生了非常丰富的色彩。

　　可见光范围

　　颜色从本质上来讲它就是频率，不过在客观的频率的基础上，我们又加入了人为的感知，这种主观因素，在牛顿的时代就已经发现，一束白光通过三棱镜进行分解，可以变为七种颜色，大致分为七类的光。但实际上这个光谱是连续地从 380 纳米到 760 纳米，从紫到红不断变化的，对应红橙黄绿蓝靛紫。

　　光的折射

　　人眼结构与视觉过程

　　02

　　光要被我们的眼睛感受到，需要一个成像系统和感光系统。眼睛的结构大概像一个相机，晶状体扮演着凸透镜的角色，而后面的视网膜则扮演了底片或者感光元件的角色。

　　眼睛结构

　　视网膜上分为几个重要的区域，中间是黄斑区和最中心的中央凹，侧边靠近鼻子这一侧有一个盲点。盲点的存在实际上是由于视觉神经在这里集中，没有感光细胞导致的。视网膜分好几层，包括血管层、神经层和感光层。其中感光细胞又分为两大类，视杆细胞和视锥细胞，视杆细胞主要负责亮度的感知，而视锥细胞除了亮度感知之外，还兼具有颜色感知的功能。

　　视网膜结构

　　说到感光，这就涉及到光与物质的相互作用。在胶片相机中，其实是卤化银在光子的作用下，发生了光化学反应；数码相机中的CCD和 CMOS，本质上是靠光电效应来工作的；而人的眼睛则是视网膜中，发生了一系列生物化学反应。这一切都紧紧围绕着电子的转移与跃迁来进行。对于孤立的原子体系，电离能主要是 5～20 电子伏；而金属、半导体和绝缘体，是 0～6 电子伏。过渡金属和稀土族化合物经常呈现出一定的色彩，也就是说恰好有一部分跃迁所需能量处在 1.6 到 3.2 电子伏特之间。这是无机物的情况。

　　但是在有机物中，我们如何才能实现电子的转移与跃迁，并且使跃迁能量恰好处在 1.6 到 3.2 电子伏特之间呢？在这里我们先做一个定性的讨论。有机物一般是不导电的，不过我们可以让其中碳原子的化学键单键和双键交替排列，这样方便电子的转移。另外化合物需要形成一个长链，或者其它的结构以后，让电子有充分运动的空间。根据量子力学的不确定性原理，电子的能量也会相应地有所降低。第三是创造一个特定的对称性，使电子各个态之间能量比较接近。第四是在局部增减一些基团，在之前的基础上进行更精细的调节。第五是通过吸收光子，改变一些电子轨道的对称性，影响其中分子的构型。

　　比如说在生命体中，非常常见的叶绿素和血红素都具有类似的结构。卟啉环上原子单键双键交替排列，方便电子转移，它们有一个比较大的空间，降低了能量，在此基础上增加和减少一些基团，又可以使颜色发生轻微的调整。

　　那我们的视觉细胞是如何进行感光的呢？这就涉及到两种物质，视黄醛和视蛋白，它们结合成为视紫红质。我们注意到视黄醛中，碳-碳原子单键双键交替排列，方便电子转移。更有意思的是视黄醛中的第 11 个碳原子，当它吸收一个光子后，其中电子轨道发生对称性的变化，从原本相对固定变得容易旋转，从而从卷曲的状态变到伸直。假如上述过程反过来，视黄醛再吸收一个光子，它可以从伸直的状态再次卷曲。在不断的卷曲、伸直、卷曲、伸直的过程中，相应的结构变化导致蛋白质构象发生变化，从而转变为一个生物电位，最终传递到神经系统中去。

　　感光机制

　　不过当环境光线比较弱，甚至几乎无光的时候，视黄醛结构左边可以变到右边，但从右边变不回去了，怎么办呢？我们可以把视黄醛“掰”下来，在体内经过酶的催化作用，结合维生素 A 的反应，然后再变回去，实现循环。所以实际上，视觉其实不只是眼睛的事，其实也与肝脏有关。比如说当我们体内缺乏维生素A的时候，就容易导致夜盲症。

　　如果是其它几种视锥细胞又如何感光呢？我们只需要把视蛋白进行一个替换，相应的能量进行微小的调整，就可以实现不同频率光的感知了。视网膜上视锥细胞的分布大概如图所示。我们可以看到它分为三类，分别负责长波段、中波段和短波段的视觉感知。

　　三种视锥细胞

　　对于一个特定的单色光来说，比如说黄光附近，我们从这个频率升一条线上去，它会在三条曲线上各有一个交点，也就是说黄光对三个细胞，进行了不同的刺激。我们把这三个刺激加起来，就形成了对黄光的感知。从这个角度讲，我们的眼睛其实是一种“合成器”。因为它把光谱中很多很多的颜色，叠加起来之后形成了大概三类，而这三类又再一次叠加，形成较为整体的色觉感知。

　　三色视觉

　　人类其实非常幸运，拥有三种色觉细胞。但实际上很多哺乳动物只有两种，所以它们基本上都是属于色盲。一个有意思的事是，我们看到梅花鹿也好，东北虎也好，它们在丛林中生活的时候，从我们的视角看来，它们的颜色看起来是非常显眼的。因为橘红色的皮毛与这个绿色的背景对比起来非常的鲜艳，但它们却用这种颜色来保护自己，这是为什么？就是因为在它们的眼中，缺乏一种色觉细胞，无法区分红色与绿色。所以在它们的眼里，这只大老虎，其实是与背景融合得非常好的。另外极少数人以及一些鸟类，拥有四色视觉。而对于螳螂虾这种生物，它甚至可以有多达十几种色觉感受器，甚至还能对偏振光进行感知。在它们的眼里，应该拥有更加丰富多彩的世界。

　　我们再来看一下视觉细胞是如何实现对亮度的感知的。下图所示左边这条灰色的曲线是暗视觉下，视杆细胞的感受曲线；右边彩色的曲线是明视觉下，视锥细胞的感知曲线。

　　有意思的是右边这条线，可以由红色的色彩感知曲线和绿色的色彩感知曲线，通过一定的比例相加得到。这里面好像没有蓝色光什么事儿，其实就挖出来一件隐含的事情：我们眼睛视锥细胞在感受亮度的时候，是进行了一个计算的。比如说红色与绿色相加，它代表了亮度，对应一个黑-白色对；而红色与绿色相减，对应一个红-绿色对；红色加绿色变为黄色，蓝色与黄色相减呢，是一个蓝-黄色对；也就是说我们眼睛实际上在，最底层这一层面上，它是接受了蓝光，并且知道它的强度的，但是在初级神经这一段，它就已经进行了一个初步的计算，处理加工以后才上报给，更高级的神经系统。

　　这样做有什么好处呢？我们注意到这里存在一种减法，实际上就是一种差分法，我们在电桥平衡里面，也会利用到类似的方法。三种色彩感知强度都比较接近的时候，它们求和其实是不太好反映最终的色彩差异。而作差其实能把这个差异更好地表达出来。

　　色彩对抗

　　色彩的测量与表示

　　03

　　那么对于色彩，我们又要如何进行测量与表示？这有两种方法，一种是纯心理的方法，也就是说艺术家，他们配颜料、比颜色可以得到；另外一个是物理学与心理学相结合的方法，这样更便于数值化和标准化。比如说我在一个白色的衬底上，左边用汞灯它的三个红、绿、蓝特定波长的光混合，右边是一个连续可调的，频率变化的不同颜色的光。在这两种颜色进行匹配，眼睛看起来一样的时候，我们就建立了它们之间的对应关系。以此构建的色彩空间 ，被称为CIE-RGB 空间。其中 CIE 是国际照明委员会，他们制定了这个标准。

　　物理学与心理学相结合测色彩

　　CIE-RGB 空间对应的色品图（左）

　　CIE-XYZ 空间对应的色品图（右）

　　不过这样的话曲线会存在负数，而上左图这个面又好像有点扭曲。为了方便使用，我们可以利用线性的坐标变换改变一下形状，这样看起来就好多了。

　　从上右图的色品图中，我们来看一下，可见光依然是存在在边界上的，而这个白色实线三角形的三个顶点，正好是汞灯的三个波长，所以汞灯所能表示的色彩范围，就是这个三角形内部框出来的区域。那么假如我们想要把色彩范围扩大需要怎么办呢？其实我们把其中这个绿色的光源，向更短的波长变化，用另一个波长的光去替换，变成白色虚线这个三角形，我们看到它所能表示的，颜色范围就更大了。另外图中这个灰色实线，和灰色虚线所示的分别是比色卡和常见的计算机里所使用的 RGB 空间。

　　值得一提的是，人们在这个图中标注了一些白点，它们是在不同空间中，所定义的白色。而红色的这条线，是我们画出来的黑体辐射在图中的分布。我们注意到这些白色的点，总是围绕在黑体辐射这条线的周围，这其中蕴含了怎样的道理呢？具有特定温度的物体，可以发出比较宽范围的电磁波，当它温度越来越高的时候，会逐渐往可见光波段转移，直至更短的波段。普朗克黑体辐射公式描述了理想黑体，在不同温度下所辐射出的电磁波的强度分布。

　　黑体辐射

　　比如说黑体的温度从 4000 K，逐渐升到 8000 K的过程中，对应辐射光谱中红光的比例越来越低，而蓝光的比例越来越高。所以整体上它的颜色，会从偏红橙色变为偏浅蓝色。而当温度比较适中，比如说处于5500 K 到 6500 K 这个范围中的时候，这个颜色看起来就非常接近于白色。比较有意思的是，5500 K 恰好是我们太阳的光球层所对应的温度。也就是说太阳这个黑体，它所辐射的光，被我们感知为白色。反过来想一想更有可能的是，恰恰因为太阳在这个温度，辐射出了这样一个光谱，而我们在这个环境中生存和进化，所以探测到了这个范围，并且把这个最为常见的光，定义为了白光。

　　不过这里我们需要要反思的，就不止是这些了。眼睛是一个非常复杂的系统，包括前面的物理系统、感知系统，还有后面的神经系统，每一步都充满了变数。

　　眼见为实？充满变数

　　04

　　我们经常说“眼见为实”，然而事实恐怕并不这么简单。因为眼睛远远不只是一部忠实记录数据的相机，而是有非常非常多变化的。比如说因为物理因素，会导致一个东西叫“色差”，我们相机里也有色差，眼睛也不能例外。它是由于不同颜色的光，对应不同的折射率，这样同一个点发出的白光，成像在我们视网膜上的时候，前后位置其实是轻微不同的。因而你感受到的不同颜色物体的远近深度是不一样的。

　　色差

　　比如说下左图里边，红色和蓝色的形状，你看一下会有一种感觉——好像它并不是在同一层上的，红色离你比较近，而蓝色离你会比较远一些。

　　利用这一点，我们还可以做一些广告词，我们感觉到一些字会“跃然纸上”，如果我们头左右摇摆一下，有些字似乎在运动，假如你戴眼镜的话，眼镜所带来的色差，会进一步加强这个效果。

　　当然了色差是由于我们的人眼是透镜系统，反射式的系统就没有这个现象，我们动物中也确实有，采用反射方法来实现的，比如说扇贝。它的眼睛是靠底层一些嘌呤的结构形成的晶体的平面来反光，最后像反射式望远镜一样，成像到视网膜上。不过这个系统也有它自己的问题，这些微小的结构，尺寸大概在微米量级，有可能会导致衍射等其它不好的因素。

　　扇贝的眼睛是反射系统

　　人类的眼睛还会有球差，不对称性，不均匀性等许多的问题。光线比较强的时候，瞳孔会收缩得比较小，这个时候还有少量的衍射效应，另外一个我们的视觉细胞，也有一定的大小，这导致我们的像素和分辨率，也不能无限的大，以上几项因素影响到的视角感知，都在 1′ 量级，也就是 1/60 度，其实还算比较好啦，不过在一些特定的情况下，还是挺明显的，比如说晚上我们看星星，大家会有一种“星芒”的感觉，好像冒出了几个尖尖，这就是以上这些不均匀性等等，所导致的一个效应。

　　另外视网膜的生理结构上，你会发现它的层其实有点不科学，我们光先是通过了血管层 神经层，最后才到了感光层，这样会导致我们感光上，实际上受到前面的一些影子的影响。有意思的是，章鱼它的眼睛系统与人类恰好相反，光是先到达了感光层，所以它这方面有更好的视觉。

　　文昌鱼、章鱼和人类，它们其实选择了不同的进化路径。这从人视网膜的结构上，就可以体现出来。我们的视觉细胞，在视网膜上是有一个特定的分布的，比如说视锥细胞集中于中央凹区域，而视杆细胞则在周围，整体上来讲，我们看正前方的时候比较清晰，而四周比较模糊，但是晚上的时候，光线比较暗，视杆细胞是起主要作用的，所以我们有时候，盯着一个比较暗的星星看，直接看看不着，眼睛稍微那么一偏，反而成像到周围的视杆细胞上，而它对亮度的敏感性更高。另外我们看一个物体的颜色，其实它的大小远近带来的视角变化，导致成像到视网膜上位置不同，也会带来一个轻微的色彩变化。

　　以上这些尚可以接受，完全不能接受的是盲点，神经细胞从这里经过，导致这儿压根就不会感光，那我们说这个时候我们看天空，岂不是会有一个窟窿，倒也不用担心，因为这个时候左边眼睛和右边眼睛，看见的区域和盲点的区域，相互有一个重合，是一个互补的状态，所以还是能看见的，不过我即使是一只眼睛，也依然不会看到有窟窿存在，难道还能无中生有？我们从下面这个图里，来观察一下这个效应。

　　首先我们闭上左眼，用右眼睛去看蓝色的十字，当你前后移动、靠近和远离的时候，你会发现某个位置处，右边的红点突然不见了，这就是它落到了盲点上消失了，这叫“视而不见”。而另外一件事情，是我们盯下面的蓝色十字，用右眼去感觉右边红色，本来这个中间，是有一个白色的间断点的，但你挪到某一个位置的时候，恰好发现它连在了一起。这就不得了了，你会发现这里发生了一件事，叫做“无中生有”，这个东西其实是你“脑补”出来的，这就涉及到神经系统，所带来的各种心理因素了，同时会带来很多很多的错觉。

　　心理：神经系统与视觉错觉

　　05

　　我们注意到眼睛里的视杆细胞，大概有超过 1 亿个，视锥细胞也有 500 多万个，而神经节细胞仅仅只有 100 万个左右。从这里我们就可以看出来，大量的信息，实际上是在眼部的神经系统那里就已经做出了预处理。它其实不只是感光，还要进行信号的反馈、特征的提取、背景扣除、边缘增强、环境对比等非常多因素，是一个真正的神经网络算法。另外再加上大脑的处理，我们的人眼可以实现更多丰富的功能。

　　比如说这张淡淡的彩色的图，如果我们盯着中间的十字来看的话，过一段时间你会发现，整个背景变成白色了，这实际上就是告诉我们，这个背景长时间不变化，颜色又比较淡，神经系统觉得它可能没什么用，就不让我们再关注它了。实际上你想一想，我们鼻子始终处于眼睛的视觉范围内，但平时你可能并不会关注到它的存在，只有刻意去看的时候才感觉到。这实际上大大减少了神经系统的负担，对于那些不太重要的信息，不必再占用资源。

　　而这张黑白色的马赫带，让我们感觉到中间，似乎有一个明显的明暗变化，在马赫带图案中，原本每一个纵向的条纹是颜色一致的，但我们看起来好像是左边变亮，右边变暗了，这个过程让它的边缘变得更明显了，这种边缘增强，有利于我们感知物体的轮廓。

　　在棋盘这个图里，我们看到 A 和 B 两个位置，看上去好像明暗并不一样，但它们实际上是一样的，只是因为周围环境不同看起来不太一样。这是由于我们眼睛看东西，对于人眼而言更重要的是感知它的对比。所以周围的环境，会影响到中心区域色彩和亮度的感知。

　　对于这个动图就更有意思了，比如说光点在移动，其实是有一种运动感知，以及视觉暂留效应，而红色点突然消失后旁边出现绿色，这是一个视觉的负后像效应，涉及到视觉的疲劳，品红色会变出它的补色绿色出来。而当你盯的时间足够长以后，整个这种浅淡的颜色又会逐步消失，相当于一个背景的扣除。

　　我们大脑甚至可以加入更多的生活经验影响我们感知，比如说下方左边这幅图里，草莓它是什么颜色的，我们明显觉得它是红色的，但如果你真正把其中的像素点，提取出来去看它，会发现它真的是特别不明显的红。这实际上是我的大脑根据生活经验，我们大脑自动做了一个白平衡，等于它自己已经求完了一个方程。再比如说下方右边这件衣服，它到底是白金色还是蓝黑色，不同的人由于生活经验，大脑给的这个信息不一样，最后看到的颜色也会不同。

　　草莓是红色的吗？（左）

　　白金色还是蓝黑色？（右）

　　回顾与思考

　　06

　　我们回顾一下，视觉其实是一个包含物理、化学、生物、心理等诸多方面的复杂的过程。眼睛能够探测的，始终是世界的某个部分，某些方面，受制于物理和生理因素，并受到心理因素的干扰，当然，神经系统的主观处理，是有助于生物适应环境的。在不同的环境中，生物甚至可以演化出，不同的感光结构和视觉功能来。

　　在众多的学科中，我们也常常发现所谓的常数和线性，往往都是特例，变化才是常态。眼见未必为实，假设需要求证，所以我们还是要注重实验探测与理性分析。除了知识的学习，还需要多反思多提问，什么是原因？什么是结果？为什么这样？可以不这样吗？多一些思考，多一些脑洞，多一些学科融合，科学探索的过程才会更加有趣而精彩。

　　课后作业：选取你感兴趣的问题，查找资料并回答。

　　偶极振荡对应的电磁场中E和B是怎样的相位关系？为什么电磁波要强调是“远场”呢？近场又如何？

　　原子吸收和释放光子的过程具体是怎样的？能量、动量、角动量、粒子数分别如何变化？都守恒吗？

　　为什么三棱镜可以将白光分解为多种彩色光？折射率为何会随光的频率不同而发生变化？如何变化？

　　若设计一种导电塑料，其微观结构可能有哪些特征？怎样提高其电导率？其光学性质是否也会变化？

　　为什么说眼睛是一种“合成器”，而耳朵是一种“分析器”？两者探测机制上有何异同？受何限制？

　　动物的感觉器官很多是非线性的，这些性质背后有怎样的原因、怎样的利弊？人造传感器又如何呢？

　　哺乳动物多为色盲，人类却有三色视觉，偶有色盲以红绿型为主。这在生物演化上有何偶然和必然？

　　螳螂虾可以看到比人类更宽的色彩范围，但是其色彩分辨能力却比人类差很多。可能的原因是什么？

　　为什么CIE-RGB色彩匹配函数中会出现负数？有何物理含义？该色彩空间与一般的线性空间有何区别？

　　显示器若使用三种以上的色光，其色域是怎样的？为什么显示器色域总是限制在一个凸多边形内部？

　　视网膜感光层处在血管层和神经层后面，那么眼睛是通过哪些机制来补救，减少前面各层的干扰的？

　　神经系统带来的诸多错觉，对生物有哪些正面意义？这对我们数据处理、算法设计等有怎样的启发？

　　悟世界之道，析万物之理，我是中科院物理所副研究员李治林，今天的课程就到这里。谢谢大家！