我们的世界如此美丽,这些颜色是如何制造出来的?

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我们的世界如此美丽,这些颜色是如何制造出来的?

2年前 · 大众科普

光带给这个世界光明,人类和许多动物,由于有了眼睛,能够接受和感受光,才认识了这个世界,享受着春夏秋冬的美景。

如果没有光,这个世界就一片黑暗,人们就什么也看不到,而有了光,才照射出这个世界的五彩缤纷万紫千红。可能有人认为,这个世界本来就是彩色的,光只不过是照亮了这个彩色的世界而已。

其实不然,世界本无色,是光赋予了世界彩色其实,这个世界除了物质,还充满了能量。电磁波是我们世界最主要的能量传递方式,其中的传递媒介就是光子。因此电磁波也可以叫做光波,光波在不同的波段和频率,可以分为很多种,主要有无线电波(包括长波、中波、短波、微波)、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。

除了可见光,其余的光波都是看不见的,但用相应的仪器就能让它们显形,射电和各种射线望远镜,就能够看到或接收到这些看不见的光波。电磁波的波长从公里级到阿米级(1阿米=10^-18米)。

一般来说,无线电波波长从3000米或更长到0.1毫米;红外线波长从0.1毫米到760纳米;可见光波长从760纳米到380纳米;紫外线波长从380纳米到10纳米;X射线波长从10纳米到1皮米;伽马射线波长小于10^-12米,最高能量的伽马射线波长可短至10^-30米!

光波是波长越短,频率越高,能量越高。波长短于可见光的光波,频率就比可见光要高,因此能量就更大。如紫外线、X射线、γ射线对生物和人体有杀伤力,尤其X光和γ射线,照射过量即可置人于死地。

波长与频率的关系遵循公式:c=λf或λ=c/f或f=c/λ。这里c为光速,λ为波长,f为频率。

人眼能够看到的就是可见光。而可见光是一种复合光,不是无色的。一般分为红橙黄绿青蓝紫七色,波长从760纳米到380纳米渐渐缩短,因此可见光里面红光能量最低,紫光能量最高。阳光就是这样的复合光,通过三菱镜,可以把这些不同颜色的光通过折射分散开来,叫色散。

一般来说,七色光的波长范围约为:红光760~622纳米;橙光621~597纳米;黄光596~577纳米;绿光576~492纳米;青光491~450纳米;蓝光449~435纳米;紫光434~380纳米。

严谨地说,这七种颜色没有明确的分界线,是渐变的,由760纳米的红光渐变成380纳米的紫光,波长再短就成了紫外线了,人眼看不到。不同颜色的波长只是相对而言,只是为了便于说明,并没有严谨准确的界限,因此各种资料在叙述不同的颜色光的波长时,数据并不完全一样。

由于可见,光有这么多颜色,各种颜色通过不同比例搭配,理论上就可以调配出无数的颜色,这个世界光怪陆离的颜色就是可见光调配出来的。

可见光是如何为这个世界调色的呢?我们世界由各种各样奇形怪状的物质组成,这些物质对光线既有吸收功能,也有反射折射散射功能。不同的物质,对不同波段光的吸收率不一样,反射折射散射方式和比例也不一样,这样,被吸收的光人眼就看不到了,而不被吸收的光人眼就看到了,不同物体就呈现出不一样的颜色了。

比如某个物体主要吸收700纳米左右的红光,反射被人眼看到的就是绿色;而如果主要500纳米左右的青绿色光,反射出来被人眼看到的就是红色。

那么,同样的物质,比如砖块、铁块、石头、沙子等,为啥不会模糊一片,还是会被人眼区别呢?这是因为这些物体只是大致相同,形状还是略有差别,并没有完美得一模一样,位置角度也不同,这样,虽然它们吸收和反射光的波长大致差不多,但吸收反射量是会有差别的,于是人眼看到的颜色就有区别。

比如,同样一棵树的树叶,吸收和反射光的波长都差不多,因此我们看到的树叶总体是绿色的。但每一片树叶形状、大小和向着光源的方位还是有区别的,我们看到的树叶就有明有暗,颜色也不完全一样,就有了层次感。

理论上,我们看到什么颜色的物体,就是这个物体对这种颜色具有排斥性,将这种颜色的光反射回来,而被吸收的则是人眼没有看到的颜色,也就是与看到的颜色互补波段的光。如果某种物体对什么光都反射,或者对什么光都吸收,我们看到的就是白色或黑色。

白色和黑色对光能够绝对反射和吸收吗?光既然有颜色,这个世界上某种物体如果一点光都不吸收,或者将光全部吸收,会怎样呢?这就是理论上的白体和黑体。物体的反射率ρ表明物体防辐射的本领,所谓白体就对光的反射率为ρ=1,人们看到的这种物体就是纯白的;而与之相反的就是黑体,是对光辐射的吸收率α=1,也就是来者不拒,全部吸收。

所谓白体和黑体吸收和反射的不仅仅是可见光,而是所有的电磁辐射,包括全部吸收或反射无线电、红外线、可见光、紫外线、X射线、伽马射线,才能叫白体和黑体,也叫绝对白体和绝对黑体。

现实世界没有真正完美的白体黑体,只有接近的。白雪是针对可见光的白体,因为没有污染的白雪对可见光反射率接近ρ=1,因此人眼看到是洁白的。但白雪对红外线完全没有抵抗力,几乎是α=1的吸收,因此相对红外线来说白雪就是黑体。

美国普渡大学阮修林教授团队发明了一种超白漆,这种油漆对阳光的反射率达到98.1%,而市场上的白色反射率只有90%,由此款可以辐射制冷的硫酸钡超白漆成为吉尼斯纪录中最白的油漆。

这种油漆覆盖下的物体,最高可比环境温度降低11℃。阮修林在接受媒体采访时表示,如果用超白漆覆盖1000平方英尺的屋顶,估计可以得到10千瓦的制冷功率,这比使用中央空调更强大。

可见,白体不但看起来是白色,还是节能减排的最好技术呢。

而英国萨里纳米公司开发了一种叫做Vantablack的材料,将这种材料涂抹在雕像上,人类肉眼再也看不见雕像的三维凹凸细节,只能看到一个黑色平面,即便用强光也无法把它照亮。据称,这种材料可以吸收99.96的入射光线,意味着其反射率只有0.04%,因此被称为黑体。

因此,这个世界的物质如果都是由白体或黑体组成,我们人眼就只能看到一个黑白世界了。还有,人眼和人脑是在光源环境下长期进化出来的,因此对各种色彩具有感光能力,如果感光细胞出了问题,就会出现色盲症状,对某种颜色失去辨别能力,或者只能看到灰白世界。

今天就说到这,谢谢阅读,欢迎讨论。

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