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為什麼光的三原色是紅綠藍,繪畫的三原色又成了紅黃藍?

小學美術課告訴我們三原色是紅黃藍,初中物理課又告訴我們光的三原色是紅綠藍,為什麼偏偏都是三種?這兩套三原色為什麼又不一樣?它們之間有關係嗎?今天我們就來解答一下這個問題。

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光學三原色:色光加色混合法

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顏料三原色:顏料減色混合法

我們看到的“顏色”,到底是什麼?

顏色就是不同波長的可見光投射到我們的視網膜裡,被視網膜感知後在大腦裡產生不同的反應。為了區分不同的色光,視網膜背後的感光細胞肯定不能只有一種,不然我們看到的世界就只有一種深淺不同的顏色了,就像黑白照片一樣。

實際上,我們人眼用於區分色光的細胞(即視錐細胞)有三種,每種只對特定波長范圍的光敏感:

第一種對長波長可見光敏感,叫做L(long)視錐細胞;

第二種對中波長可見光敏感,叫做M(medium)視錐細胞;

第三種對短波長可見光敏感,叫做S(short)視錐細胞。

三種視錐細胞對光譜中不同波長光的響應見下圖,幾乎能覆蓋可見光領域。

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這樣,眼睛在接收任一波長的可見光時,都能不同程度地激活一種到兩種,甚至三種視錐細胞,它們產生的信號疊加起來,形成了我們感受到的顏色。

但這樣一來,聰明的讀者可能就注意到了一個問題:波長為580nm的黃光會同時激發代表綠色的M視錐細胞和代表紅色的L視錐細胞,那它看起來和綠光與紅光兩種單色光的某種疊加有何區別呢?

答案是,沒區別——在人眼看來。這就是為什麼在人眼看來綠光+紅光=黃光,藍光+綠光=淺藍光,三原色與色光疊加原理都是我們人眼的這三種視錐細胞帶來的。

早在上世紀初,亥姆霍茲等人在還不知道視錐細胞存在的情況下就提出了視覺的三原色學說,設想在視網膜中存在著分別對紅、綠、藍的光線特別敏感的三種細胞或相應的三種感光色素,當光線作用於視網膜時,可以不同程度地刺激相應的細胞或感光色素,在中樞引起介於此二原色之間的色覺。

這種假說得到實驗證實之後,反過來又被科學家用來開發電子顯示屏——我們從電視、電腦、手機屏幕上看到的彩色圖像,就是紅綠藍三原色色光經不同程度疊加產生的,所以一旦你湊近了仔細看彩色電子屏幕,就能看到紅綠藍顏色的顆粒(在老式的電視機上更容易看到,如果對著蘋果的Retina屏找,你可能就要瞎了……)。

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顯示器採用色光加色混合法三原色:紅綠藍

那為什麼顏料的三原色與光不同呢?

這是因為顏料的疊加原理與色光的疊加原理不同。

顏料之所以呈現出特定的顏色,不是因為它本身發出了該顏色的光,而是它吸收了其他色光,而顏料的疊加,也就是吸收的疊加。

舉個栗子:黃色顏料反射了紅光和綠光(紅光與綠光的疊加在我們眼裡就是黃光),而我們日常所用的藍色顏料反射藍光和綠光。把它們配在一起的時候,黃色顏料吸收了藍色顏料所反射的藍光,而藍色顏料吸收了黃色顏料反射的紅光,所以就只剩下了綠色光。一旦再疊加其他多種顏料,把所有的色光吸收殆盡,在我們眼前的就是一團漆黑了。

那會不會有少數人有兩種或者四種視錐細胞?其他動物呢?

大多數人類擁有三種視錐細胞,但並不是每個人都能感受到三原色下的世界,有些患者其中一種或兩種視錐細胞會出現缺陷,這就會導致色覺缺陷,稱為色盲。色盲(color blindness)最先由英國化學家約翰·道爾頓詳細描述,因而也叫道爾頓症(daltonism)。

色盲主要分紅綠色盲、藍黃色盲和全色盲。紅綠色盲是最常見的色盲,患者無法分辨紅色和綠色(看起來接近灰色或就是灰色),藍黃色盲則無法分辨藍色和黃色,全色盲最為稀少,患者只能看到像黑白照片一樣不同灰度的世界。

色盲眼中的世界是什麼樣?下面這張圖可能會給我們一個直觀的印象。

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@Johannes Ahlmann/Wiki Commons

左上是正常色覺的人看到的的彩色風車,右上和右下是紅綠色盲患者看到的景象(嚴格來說紅色盲和綠色盲並不一樣,但症狀是類似的),左下是藍黃色盲看到的景象。

可以看到,紅綠色盲的眼裡沒有紅色和綠色,他們看到的“紅色”和“綠色”只是偏藍或偏黃的灰色。

不過,“正常視力”與“色盲”之間並不存在一個一刀切的分界線,辨色能力是個連續譜。

很多色盲患者都不是缺失了一種或多種視錐細胞,而是兩種視錐細胞的敏感範圍過於接近,從而減小了對三種顏色辨別的範圍。這種情況比三種單色色盲更常見,並且會使顏色視覺具有更多變化的結果。

此外,界定一個人是否色盲也應取決於他/她的環境和職業需求:視覺設計師和珠寶鑑定師需要對顏色有敏銳的鑑定能力,但對記者而言要求就沒有那麼高了。

那怎麼知道你是不是色盲呢?最常見的測試方法莫過於石原氏色盲測驗了。也許我們體檢的時候都有測過這一項,醫生給你拿出一張這樣色彩斑斕的圖片,色覺正常的人和色盲患者看到的圖案會不同。如下圖,色覺正常的人看到的數字是74,而色盲患者看到的就是21。

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有超過三種顏色視覺是怎樣的體驗?

既然擁有三種視錐細胞的“正常人”能比色盲患者看到更多的顏色,那會不會存在擁有四種甚至以上色覺的人?澳大利亞藝術家孔切塔·安蒂科(Concetta Antico)就是這樣一位“四色視者”。

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@ConcettaAntico.com

經研究人員測定,她的第四種視錐細胞的敏感波段大約在紅色與橙色之間,她看到的顏色據說能比普通人多百倍。她的藝術創作,正是為了將自己看到的斑斕的世界傳達給我們普通的三色視者。

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安蒂科筆下的樹與(三色視覺者眼中)真實場景對比。

@Concetta Antico

那麼其他動物呢?

對於大多數動物,豐富的色覺都非常有利於適應多變環境。現存的脊椎動物中,爬行動物、鳥類和真骨下綱的魚類都具有四種視錐細胞,它們能看到波長更短的紫外線。

通過研究這些動物調控視蛋白合成的基因,我們得知這三群動物的共同祖先,也就是3.6億年前的硬骨魚類就具有了四色視覺。

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這種金光菊能反射出紫外光,因此,鳥類能看到花心以外一個更大的黑色圓圈。圖片由美國羅切斯特理工學院教授安德魯·大衛德哈齊(Andrew Davidhazy)用檢測紫外線的照相機拍攝。

@《環球科學》

也許用動物的眼光來看待這個世界,就可以理解它們行為的關鍵。一些動物可以看見更加五彩斑斕的世界,而另一些動物眼裡的世界就相對平淡很多。

這些都是為了相互溝通,吸引異性和躲避捕食。研究那些我們所能看到的和看不到的顏色,不管對人類的自我認知和發展,還是對動物行為的了解以及規律的總結,都具有重要意義。

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