為什麼要叫藍移而不叫紫移? | 知乎問答精選

 

A-A+

為什麼要叫藍移而不叫紫移?

2019年08月01日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 3 ℃ 次

【黃榆斐的回答(75票)】:

作為科學的概念,常常要遵循簡單和嚴謹這兩個原則。要回答你的問題,我們必須先來搞清楚一個問題:

什麼是顏色?

其實,我們生活中所說的顏色和天體物理中光譜中可見光的顏色並不是嚴格對等的。實際上,存在兩種顏色的定義

  • 自然界中的顏色:

    • 單色:嚴格對應波長,實際上所謂的不同的顏色就是可見光電磁波的不同波長(或者能量不同)的光子。比如波長為550nm的光子、波長為700 nm的光子...
    • 混合色:不同光子的混合結果,實際上是一個希爾伯特空間…… 可以是離散的,也可以是連續的,比如:1萬個350nm的光子和3萬個600nm的光子再加5千個800nm的光子混合成的顏色,就是離散的;再比如溫度為8000 K的黑體的顏色,就是連續的,因為這個黑體會發出各個波長的光子,他們強度分佈可以用普朗克公式來表示。
  • 人眼感知的顏色

    • 下圖顯示了人眼對整個可見光譜的感知。因為人眼視網膜上,主要負責感知色彩的視錐細胞對不同波長的光子的感知並不相同,存在一個相應的範圍。如下圖(自 CUDO.jp),

      而人眼對不同波長的感知能力可以用下圖中的白色曲線來表示。白線對應的值越高,表示人眼對此波段的光子的感知越靈敏。人眼把S那條線感受到的光子都認知為而人眼對不同波長的感知能力可以用下圖中的白色曲線來表示。白線對應的值越高,表示人眼對此波段的光子的感知越靈敏。人眼把S那條線感受到的光子都認知為藍色、把M那天線的認知為、把L那天線對應的認知為紅色。

(圖片來自 wikipedia)(圖片來自 wikipedia)

你注意到了嗎?實際上,上述的三種顏色:藍、綠和紅色(RGB)正是我們所知道的三原色。所以,事實上,你只能看到三種顏色:藍綠紅!等等……事實不是這樣啊!我們的世界明明豐富多次啊??你怎麼在這裡瞎扯?其實,你看到的多種多樣的顏色是這三種顏色組合在一起的結果。這三種顏色好比一個三維空間裡的三個坐標,你把他們不同程度的組合起來,就可以形成各種各樣的顏色。實際上,他們形成了一個3D的色彩空間,如下圖,空間中每一個點都代表了一種顏色。

(圖片節選自youtube視頻 (圖片節選自youtube視頻 youtube.com/watch?

所以你看到的顏色其實就是人眼在對藍綠紅這三種光子的測量(實際上是一段響應曲線,而不是純粹的單色響應),然後線性的疊加而已,如果你的線性代數還沒有丟掉的話,你可以理解為,以藍、綠、紅為三個基矢量,你可以組成一個三維的線性空間,而你看到的顏色是這個空間中的某個點,也就你的藍綠紅三種視錐細胞測量到的強度的線性疊加而已

其實我們的RGB顯示器就是運用了這個原理,從而得已顯示出不同的色彩。所以,很多顏色在自然界中並不是真實存在的,在上述的三維色度空間裡,每一個顏色只是藍綠紅這三種光的相對強度的組合!!誇張點,這些美麗的顏色中很大一部分其實只是你的腦補而已……

當然,人眼並不是萬能的。也就是說,你的視錐細胞的感應光子的能力存在一個範圍,也就是到達某個強度或者低於某個強度就超過了它的能力範圍。因此,我們可以說,人眼視錐細胞的響應也存在飽和以及最低響應值:藍、綠和紅不可能無限的亮。因此,人類的感知只是這個三維色度空間裡的一個有限空間區域。人類只能感受到這個區域內的色彩這也是CIE定義出他們最有名的CIE色表的來源。那麼如何從人類感知的顏色對應到這個物理世界真實的顏色呢?Commission internationale de l'eclairage,也就是國際照明委員會根據人眼對色彩的響應曲線,把上面的三維空間變換到二維,做出了著名的CIE二維色度圖。變換的過程可以參考下圖,

(圖片節選自youtube視頻 youtube.com/watch?

這二維的平面涵蓋了人眼能看到的所有顏色(再次強調:實際上上述的三維色彩空間裡有很大一部分是人眼無法識別的顏色,因為人眼視錐細胞的感光能力是有限的!)。最終,就形成了下面的CIE圖,此圖是1976年的修改標準,該圖最早由1931年提出。

(圖片來自:(圖片來自:hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

那麼我們回頭再看來,如何表示出人眼中某個波長的光子的「顏色」呢?你還記得前面圖中的人眼三種視錐細胞對不同波長的響應曲線吧?當你要測量某個光子的「顏色」時,你只需要把那個波長處的三種視錐細胞的響應曲線的響應率分別乘以此波段的光的強度。那麼你就會得到三個數值,也就是三維色度空間裡的坐標(s, m, l),這時候,你就得到了這個光子的顏色。通過這樣的方法,當你把每個波長的光子的結果都計算出來之後,你最終會計算出一條曲線(也就是上圖中的這個舌形圖的邊,你可以注意到上面標注了很多數字,從380-780 nm,就代表了這個波長的光子的顏色)。這些顏色可以近似代表自然界中真實的單色光的「顏色」。

除此之外,你還可以計算出色溫曲線。如果你還記得黑體這個概念的話,不同溫度會給出不同的能譜分佈,如下圖,不同的能譜分佈中,藍、綠和紅色的相對強度不同。

(圖片來自:(圖片來自:Croatian-English Chemistry Dictionary & Glossary)

那麼同樣通過數學的運算,你可以計算出不同溫度黑體在人眼中所反映出的「顏色」。就是圖中間的那條曲線。太陽的溫度是~6000K,於是我們可以對應出來,太陽是白色(偏一點點黃)。]

然而,還需要提到的是,上面說的是物體發出的光,比如太陽(黃白色),還有你的顯示器。那麼綠葉的顏色又是怎麼回事?白紙呢?白種人為什麼那麼白?黑人為什麼那麼黑?因為他們不發光。所以,其實他們的顏色只是他們反射的光中藍綠紅這三種光的相對強度的組合!!因此,對於反光的物體來說,光源的顏色覆蓋很重要。這也是為什麼我們使用日光燈或者白光燈的原因。試想一下,如果你用綠光燈,你還能看到豐富多彩的衣服和圖畫嗎?

我們言歸正傳:為什麼我們不說「紫移」?

漢語裡的紫色其實是一個比較模糊的概念,既可以對英語英語裡的violet,也可以是purple。嚴格來說,violet更接近比藍波波長更短的顏色,也就是紅和綠都很少,而藍色也很弱的情形。相當於黑中加了點藍的感覺。而紫色則是純粹的腦補大紅+大藍而已。不管則樣,紫色並不是真實的顏色。那麼violet呢?其實它也並不是真實的,我們再來看一副更精確的視錐細胞響應曲線

(圖片來自(圖片來自weeklysciencequiz.blogspot.com

或者為了更加嚴謹,我們來看看論文裡實際的測量曲線:

(圖來自 Stockman et al 1993, The Journal of the Optical Society of America, 圖15)(圖來自 Stockman et al 1993, The Journal of the Optical Society of America, 圖15)

注意到了嗎?實際上在比藍光中較短的波段紅色視錐細胞的響應也比較突出,大概是0.1,而藍色大概是0.7-0.8。因此,你看到的violet也是藍+紅組合的結果。但是,如果你強調的是,violet是波長為380nm左右的光子的顏色,那麼這樣的頂一下,這個顏色確實是存在的。只是,你看到的violet的顏色並不是真實的violet的顏色。畢竟,真實的情況就是藍+紅的組合而已。試想一下,如果紅色的視錐細胞在380nm處沒有一個略強的響應度,那麼我們看到的彩虹最終只會止於藍色而已。有趣的是,蜜蜂短波的響應曲線的峰值在340nm左右,也就是他們能夠真正看到我們所看到的「violet」。其實自然界中的很多動物都可以,而且不同的動物對不同波長的光的感知能力並不相同。所以你們眼中的世界的色彩都是不一樣的。現實中還存在有四種顏色感應器的生物,我們稱之為四色覺,相關內容請看這個知乎回答:眾所周知有「色弱」的人,那是否有「色強」的人呢? - Jack Wang 的回答,因為他們的色度空間是思維的,所以他們的世界比我們的要絢爛的多,但是我們永遠也不會知道他們眼中的世界究竟是怎麼樣的。打個不恰當的比喻,好比三維空間的生物永遠也無法想像四維空間的生物是什麼樣的。

我們前面說過了。作為科學的概念,常常要遵循簡單和嚴謹這兩個原則。我們需要通過光譜來描述多普勒效應。那麼朝向波長短的一端的,考慮到人眼對三原色的認知最敏感,且這三原色是光譜中確實存在的顏色。那麼藍和紅才最能代表「藍移」和「紅移」想要表達的概念。

因此,我們並不使用「紫移」。

最後我們可以開一個腦洞,除了人類以外,我們完全可以把藍色,綠色和紅色這三個原色互換,其實他們只是大腦為了辨認顏色而做的區分而已,我們完全可以變讓他們讓綠色對應的光子在大腦中顯示出藍色,「紅色光子」顯示出綠色,「藍色光子」顯示出紅色。這樣一來,天空中的太陽仍舊是白色,然而樹葉都是藍色了……天空也變成了紅色……晚霞變成了綠色…… 哈哈哈....

【葉曉度的回答(4票)】:

紫不是原色,紅藍是原色

【傅一行的回答(2票)】:

[前言] @名字長記不住斯基 的回答(以下簡稱M文) 給了很多信息,區分了可見光譜的顏色和人感知的顏色,對人眼分辨顏色的機製作了介紹。很贊。不過,M文中對人眼感知顏色的解說中,有個關鍵地方我認為說得不對。我先給出我的看法,並補充一些其他內容。

[摘要]

正文要點:可見光光譜分紅橙黃綠藍紫六色,人眼均可響應。

補充要點:在短波長一端,相對於紫色,人更容易看到藍色,從而用"藍移"稱呼波長變短的現象。

[以下正文]

首先,不贊同的觀點是 「看到的顏色其實就是人眼在對藍綠紅這三種光子的測量,然後線性的疊加而已!」

這個說法我認為應該修正為:

看到的顏色對應的是人眼的三種光感受器(注a)對入射光的響應輸出作為三維坐標值在人眼三色基色彩空間(注b)上確定的點(或向量)。

(注a) 光感受器(photoreceptors)即視錐細胞(cone cells)中的感光器。

(注b) 這裡姑且用的簡稱"人眼三色基色彩空間"是指以人眼三種光感受器為響應基準的色彩空間,英語上對應為 LMS color space。

M文中給出的曲線給出的正是可見光光譜(visible spectrum)裡不同波長的光子在人眼中不同視錐細胞中的光感受器上的響應。 當我們說"某種顏色的光子"時,我們指的是可見光光譜裡的某個波長範圍(即波段)的光子。而可見光光譜劃分為六個波段,每個波段給一個顏色命名:紅橙黃綠藍紫六色。(你沒看錯,現在光學上劃分的是六個!雖然牛頓當年給的是7個。) 除藍綠紅這三種光子外,還有其他顏色光子,人眼也會形成響應。

「藍綠紅這三種光子」, 對應波段一般指的是(來源:Wikipedia):

blue, 450–495 nm;

green, 495–570 nm;

red, 620–750 nm。

這三種光子的波段並沒有覆蓋可見光光譜,還必須加上

紫(violet, 380–450 nm)、

黃(yellow, 570–590 nm)、

橙(orange, 590–620 nm)。

也就是說:

存在單色紫色的!

存在單色紫色的!

存在單色紫色的!

(重要的事說三遍!)

M文說「你只能看到三種顏色:藍綠紅!」、「紫色並不是真實的顏色。那麼violet呢?其實它也並不是真實的」是不準確的。

雖然,紫色光可以和紅藍調料調出來的散射光在人眼中形成相同的響應、在人眼三色基色彩空間對應同一個點,但它們是不同的光(有不同的光譜)。假設有一種生物,其眼睛具有與人眼不同響應的視錐細胞,就可能區分單色紫色光和紅藍調色出來的光。我們喜歡的那些畫,它們眼裡很可能是亂七八糟的東西。

到這裡,第一點說完了。

[補充點]

再補充一些內容,以供參考。

1. 藍移、紅移都是光譜上的變化,是physcal, spectral 上的變化,被人眼看到了,才是顏色(color)上的變化。

波長變長,命名為"紅移",容易理解,人眼看到的波長最長的一端為紅色。

波長變短,被人發現,由於單色紫光應該是可光光波長最短的一端,在這個意義上與"紅移"相應的名詞應該是"紫移"更準確。

但是人眼對紫光的響應能力很弱,遠沒有紫光好,因而實際上人能容易看到的藍色就變成了能看到的的波長最短的一端,因而使用"藍移"來稱呼波長變短的現象。"藍移"被接受後形成習慣用法。

2. 英文中, blueshift 是正式用法,violet shift 作為別名也時有使用。 blueshift 的收入詞典的寫法是把blue和shift是連寫的,是合成詞。韋氏大學詞典給出最早使用時間是1951年,但並沒有給出具體來源。(我猜來源是科學上、特別可能是天文領域中的發現的報道文章。等有空去找找看)。與之對應的 violet shift不是合成詞,violet和shift兩個詞是分開寫的,violet shift 在常見詞典中不作單獨詞條。

3. 三種視錐細胞光感應器響應最大的波長分別為大約:430 nm,530 nm,560 nm(見M文中圖) , 按前述Wikipedia上的劃分,上述三個中心波長分別落入的波段是:紫,綠,綠;三個響應主要覆蓋的則分別是 紫和藍、綠和黃、黃和紅。通常稱 藍、綠、紅三色視錐細胞是不準確的。你看M文中引用曲線圖,圖中標示的用的是S/Short-wavelenght、M/Medium-wavelength、L/Long-wavelength,短、中、長(波長),這樣才準確。這也是LMS color space中的LMS的意義。

4. 光學中有紫色單色光。與之有關的一個名詞,紫外,就是指波長比紫色光波長短的一段光譜的光。

5. 沒有白色單色光。不同領域指的白光不同。白光可以指使人眼響應為"白色"的光(它可以只是兩種波長的光的混合,也可以是多色光混合)。白光也可以指寬譜光,如高溫黑體的輻射。"白"的這一寬譜的意義也被借用到電子學、信號分析等領域。白噪聲(white noise)是一種功率譜密度為常數的隨機信號。

6. 人眼三色基色彩空間以LMS響應為基準,不便於再現顏色,其他色彩空間應運而生。比如,RGB顏色空間,基於紅、綠、藍單色,方便物理上再現。

[結束]

這個題目很有意思。自己藉著複習了一下color vision和 visible spectrum的有關知識。

就寫這些啦!歡迎批評指正。

標籤:-物理學 -天體物理學 -天文學


相關資源:





給我留言