 悟世界之道，析萬(wàn)物之理，我是中科院物理所副研究員李治林。我們這節(jié)課的主題是光與視覺(jué)，它是涉及到物理、化學(xué)、生物和心理等諸多學(xué)科的內(nèi)容。如果我問(wèn)你，世界上最常見的物質(zhì)是什么，一個(gè)比較有趣的回答是光。 其實(shí)在宗教也好，神話也好，從上帝創(chuàng)世，到盤古開天，他們要做的第一件事，都是破除黑暗與混沌，創(chuàng)造光。宇宙大爆炸的早期，也已經(jīng)產(chǎn)生了光子，直到現(xiàn)在整個(gè)宇宙，還有一個(gè) 2.7 K的微波背景輻射，可以說(shuō)光是無(wú)處不的。 光是什么，有何性質(zhì)？ 01 光是一種物質(zhì)，它具有能量，也具有動(dòng)量。光的產(chǎn)生與電場(chǎng)密切相關(guān)，比如一對(duì)正負(fù)電荷對(duì)，它們就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，當(dāng)它們之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，電場(chǎng)發(fā)生了改變，變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，而變化的磁場(chǎng)也會(huì)在周圍，產(chǎn)生一個(gè)變化的電場(chǎng)，如此循環(huán)往復(fù)，環(huán)環(huán)相扣，生生不息，就產(chǎn)生了一列波向前傳播。   電磁場(chǎng)和電磁波 如果我們把它在三維空間中用矢量表示出來(lái)，就可以發(fā)現(xiàn)在遠(yuǎn)場(chǎng)處電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H之間是相互垂直的。并且將兩者叉乘以后，會(huì)形成一個(gè)向前傳播的矢量。  在這里我們看到，光有幾個(gè)特征的量，一個(gè)叫波長(zhǎng)，一個(gè)叫頻率，還有一個(gè)叫能量，而且它們之間是具有密切的關(guān)系的。比如說(shuō)有一列波，如果在其傳播速度一定的情況下，頻率越高，波峰之間的間距，也就是波長(zhǎng)，會(huì)越短。另外愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)告訴我們，E=hν，也就是說(shuō)光的能量是與頻率成正比的。在這三個(gè)概念中，最為核心的其實(shí)是能量，光既然是電磁波，它就會(huì)有一個(gè)周期變化的電場(chǎng)，電子會(huì)在這個(gè)電場(chǎng)的作用下受到擾動(dòng)，與光發(fā)生相互作用。  頻率  能量 電子在原子中是處于一系列軌道上的。按現(xiàn)在的觀點(diǎn)，我們拋卻了軌道的概念，認(rèn)為電子是電子云。但電子云也有不同的分布，當(dāng)它吸收一個(gè)光子的時(shí)候，可以從一個(gè)較低能量的電子云的分布，變成一個(gè)較高能量的分布狀態(tài)，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)發(fā)生一些極化和變化。反過(guò)來(lái)，電子也可以從較高的能量狀態(tài)，釋放一個(gè)光子，回到較低的能量狀態(tài)上。這里的能量變化，體現(xiàn)為一系列的能級(jí)，它就像臺(tái)階一樣可以在上面，進(jìn)行上下地移動(dòng)，有一些元素因?yàn)檫@個(gè)能量差別，恰好處在可見光光子能量的范圍內(nèi)，所以就可以在火焰燃燒的時(shí)候體現(xiàn)出一定的色彩，這就是著名的“焰色反應(yīng)”?；瘜W(xué)中常常用焰色反應(yīng)鑒別元素的種類。  焰色反應(yīng) 不過(guò)可見光在整個(gè)電磁波的頻率范圍內(nèi)僅僅占據(jù)非常窄的一小段。在整個(gè)頻率范圍中，我們有頻率比較低的微波，也有頻率非常高的X射線、γ射線，而可見光只有中間非常窄的一段，對(duì)應(yīng)光子能量處于 1.6 到 3.2 電子伏特之間。但即便如此窄的頻率和能量范圍，就已經(jīng)產(chǎn)生了非常豐富的色彩。  可見光范圍 顏色從本質(zhì)上來(lái)講它就是頻率，不過(guò)在客觀的頻率的基礎(chǔ)上，我們又加入了人為的感知，這種主觀因素，在牛頓的時(shí)代就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，一束白光通過(guò)三棱鏡進(jìn)行分解，可以變?yōu)槠叻N顏色，大致分為七類的光。但實(shí)際上這個(gè)光譜是連續(xù)地從 380 納米到 760 納米，從紫到紅不斷變化的，對(duì)應(yīng)紅橙黃綠藍(lán)靛紫。  光的折射 人眼結(jié)構(gòu)與視覺(jué)過(guò)程 02 光要被我們的眼睛感受到，需要一個(gè)成像系統(tǒng)和感光系統(tǒng)。眼睛的結(jié)構(gòu)大概像一個(gè)相機(jī)，晶狀體扮演著凸透鏡的角色，而后面的視網(wǎng)膜則扮演了底片或者感光元件的角色。   眼睛結(jié)構(gòu) 視網(wǎng)膜上分為幾個(gè)重要的區(qū)域，中間是黃斑區(qū)和最中心的中央凹，側(cè)邊靠近鼻子這一側(cè)有一個(gè)盲點(diǎn)。盲點(diǎn)的存在實(shí)際上是由于視覺(jué)神經(jīng)在這里集中，沒(méi)有感光細(xì)胞導(dǎo)致的。視網(wǎng)膜分好幾層，包括血管層、神經(jīng)層和感光層。其中感光細(xì)胞又分為兩大類，視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞，視桿細(xì)胞主要負(fù)責(zé)亮度的感知，而視錐細(xì)胞除了亮度感知之外，還兼具有顏色感知的功能。 視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu) 說(shuō)到感光，這就涉及到光與物質(zhì)的相互作用。在膠片相機(jī)中，其實(shí)是鹵化銀在光子的作用下，發(fā)生了光化學(xué)反應(yīng)；數(shù)碼相機(jī)中的CCD和 CMOS，本質(zhì)上是靠光電效應(yīng)來(lái)工作的；而人的眼睛則是視網(wǎng)膜中，發(fā)生了一系列生物化學(xué)反應(yīng)。這一切都緊緊圍繞著電子的轉(zhuǎn)移與躍遷來(lái)進(jìn)行。對(duì)于孤立的原子體系，電離能主要是 5～20 電子伏；而金屬、半導(dǎo)體和絕緣體，是 0～6 電子伏。過(guò)渡金屬和稀土族化合物經(jīng)常呈現(xiàn)出一定的色彩，也就是說(shuō)恰好有一部分躍遷所需能量處在 1.6 到 3.2 電子伏特之間。這是無(wú)機(jī)物的情況。 但是在有機(jī)物中，我們?nèi)绾尾拍軐?shí)現(xiàn)電子的轉(zhuǎn)移與躍遷，并且使躍遷能量恰好處在 1.6 到 3.2 電子伏特之間呢？在這里我們先做一個(gè)定性的討論。有機(jī)物一般是不導(dǎo)電的，不過(guò)我們可以讓其中碳原子的化學(xué)鍵單鍵和雙鍵交替排列，這樣方便電子的轉(zhuǎn)移。另外化合物需要形成一個(gè)長(zhǎng)鏈，或者其它的結(jié)構(gòu)以后，讓電子有充分運(yùn)動(dòng)的空間。根據(jù)量子力學(xué)的不確定性原理，電子的能量也會(huì)相應(yīng)地有所降低。第三是創(chuàng)造一個(gè)特定的對(duì)稱性，使電子各個(gè)態(tài)之間能量比較接近。第四是在局部增減一些基團(tuán)，在之前的基礎(chǔ)上進(jìn)行更精細(xì)的調(diào)節(jié)。第五是通過(guò)吸收光子，改變一些電子軌道的對(duì)稱性，影響其中分子的構(gòu)型。 比如說(shuō)在生命體中，非常常見的葉綠素和血紅素都具有類似的結(jié)構(gòu)。卟啉環(huán)上原子單鍵雙鍵交替排列，方便電子轉(zhuǎn)移，它們有一個(gè)比較大的空間，降低了能量，在此基礎(chǔ)上增加和減少一些基團(tuán)，又可以使顏色發(fā)生輕微的調(diào)整。 那我們的視覺(jué)細(xì)胞是如何進(jìn)行感光的呢？這就涉及到兩種物質(zhì)，視黃醛和視蛋白，它們結(jié)合成為視紫紅質(zhì)。我們注意到視黃醛中，碳-碳原子單鍵雙鍵交替排列，方便電子轉(zhuǎn)移。更有意思的是視黃醛中的第 11 個(gè)碳原子，當(dāng)它吸收一個(gè)光子后，其中電子軌道發(fā)生對(duì)稱性的變化，從原本相對(duì)固定變得容易旋轉(zhuǎn)，從而從卷曲的狀態(tài)變到伸直。假如上述過(guò)程反過(guò)來(lái)，視黃醛再吸收一個(gè)光子，它可以從伸直的狀態(tài)再次卷曲。在不斷的卷曲、伸直、卷曲、伸直的過(guò)程中，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生變化，從而轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)生物電位，最終傳遞到神經(jīng)系統(tǒng)中去。 感光機(jī)制 不過(guò)當(dāng)環(huán)境光線比較弱，甚至幾乎無(wú)光的時(shí)候，視黃醛結(jié)構(gòu)左邊可以變到右邊，但從右邊變不回去了，怎么辦呢？我們可以把視黃醛“掰”下來(lái)，在體內(nèi)經(jīng)過(guò)酶的催化作用，結(jié)合維生素 A 的反應(yīng)，然后再變回去，實(shí)現(xiàn)循環(huán)。所以實(shí)際上，視覺(jué)其實(shí)不只是眼睛的事，其實(shí)也與肝臟有關(guān)。比如說(shuō)當(dāng)我們體內(nèi)缺乏維生素A的時(shí)候，就容易導(dǎo)致夜盲癥。 如果是其它幾種視錐細(xì)胞又如何感光呢？我們只需要把視蛋白進(jìn)行一個(gè)替換，相應(yīng)的能量進(jìn)行微小的調(diào)整，就可以實(shí)現(xiàn)不同頻率光的感知了。視網(wǎng)膜上視錐細(xì)胞的分布大概如圖所示。我們可以看到它分為三類，分別負(fù)責(zé)長(zhǎng)波段、中波段和短波段的視覺(jué)感知。 三種視錐細(xì)胞 對(duì)于一個(gè)特定的單色光來(lái)說(shuō)，比如說(shuō)黃光附近，我們從這個(gè)頻率升一條線上去，它會(huì)在三條曲線上各有一個(gè)交點(diǎn)，也就是說(shuō)黃光對(duì)三個(gè)細(xì)胞，進(jìn)行了不同的刺激。我們把這三個(gè)刺激加起來(lái)，就形成了對(duì)黃光的感知。從這個(gè)角度講，我們的眼睛其實(shí)是一種“合成器”。因?yàn)樗压庾V中很多很多的顏色，疊加起來(lái)之后形成了大概三類，而這三類又再一次疊加，形成較為整體的色覺(jué)感知。 三色視覺(jué) 人類其實(shí)非常幸運(yùn)，擁有三種色覺(jué)細(xì)胞。但實(shí)際上很多哺乳動(dòng)物只有兩種，所以它們基本上都是屬于色盲。一個(gè)有意思的事是，我們看到梅花鹿也好，東北虎也好，它們?cè)趨擦种猩畹臅r(shí)候，從我們的視角看來(lái)，它們的顏色看起來(lái)是非常顯眼的。因?yàn)殚偌t色的皮毛與這個(gè)綠色的背景對(duì)比起來(lái)非常的鮮艷，但它們卻用這種顏色來(lái)保護(hù)自己，這是為什么？就是因?yàn)樵谒鼈兊难壑校狈σ环N色覺(jué)細(xì)胞，無(wú)法區(qū)分紅色與綠色。所以在它們的眼里，這只大老虎，其實(shí)是與背景融合得非常好的。另外極少數(shù)人以及一些鳥類，擁有四色視覺(jué)。而對(duì)于螳螂蝦這種生物，它甚至可以有多達(dá)十幾種色覺(jué)感受器，甚至還能對(duì)偏振光進(jìn)行感知。在它們的眼里，應(yīng)該擁有更加豐富多彩的世界。 我們?cè)賮?lái)看一下視覺(jué)細(xì)胞是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)亮度的感知的。下圖所示左邊這條灰色的曲線是暗視覺(jué)下，視桿細(xì)胞的感受曲線；右邊彩色的曲線是明視覺(jué)下，視錐細(xì)胞的感知曲線。 有意思的是右邊這條線，可以由紅色的色彩感知曲線和綠色的色彩感知曲線，通過(guò)一定的比例相加得到。這里面好像沒(méi)有藍(lán)色光什么事兒，其實(shí)就挖出來(lái)一件隱含的事情：我們眼睛視錐細(xì)胞在感受亮度的時(shí)候，是進(jìn)行了一個(gè)計(jì)算的。比如說(shuō)紅色與綠色相加，它代表了亮度，對(duì)應(yīng)一個(gè)黑-白色對(duì)；而紅色與綠色相減，對(duì)應(yīng)一個(gè)紅-綠色對(duì)；紅色加綠色變?yōu)辄S色，藍(lán)色與黃色相減呢，是一個(gè)藍(lán)-黃色對(duì)；也就是說(shuō)我們眼睛實(shí)際上在，最底層這一層面上，它是接受了藍(lán)光，并且知道它的強(qiáng)度的，但是在初級(jí)神經(jīng)這一段，它就已經(jīng)進(jìn)行了一個(gè)初步的計(jì)算，處理加工以后才上報(bào)給，更高級(jí)的神經(jīng)系統(tǒng)。 這樣做有什么好處呢？我們注意到這里存在一種減法，實(shí)際上就是一種差分法，我們?cè)陔姌蚱胶饫锩妫矔?huì)利用到類似的方法。三種色彩感知強(qiáng)度都比較接近的時(shí)候，它們求和其實(shí)是不太好反映最終的色彩差異。而作差其實(shí)能把這個(gè)差異更好地表達(dá)出來(lái)。 色彩對(duì)抗 色彩的測(cè)量與表示 03 那么對(duì)于色彩，我們又要如何進(jìn)行測(cè)量與表示？這有兩種方法，一種是純心理的方法，也就是說(shuō)藝術(shù)家，他們配顏料、比顏色可以得到；另外一個(gè)是物理學(xué)與心理學(xué)相結(jié)合的方法，這樣更便于數(shù)值化和標(biāo)準(zhǔn)化。比如說(shuō)我在一個(gè)白色的襯底上，左邊用汞燈它的三個(gè)紅、綠、藍(lán)特定波長(zhǎng)的光混合，右邊是一個(gè)連續(xù)可調(diào)的，頻率變化的不同顏色的光。在這兩種顏色進(jìn)行匹配，眼睛看起來(lái)一樣的時(shí)候，我們就建立了它們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。以此構(gòu)建的色彩空間 ，被稱為CIE-RGB 空間。其中 CIE 是國(guó)際照明委員會(huì)，他們制定了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。 物理學(xué)與心理學(xué)相結(jié)合測(cè)色彩 CIE-RGB 空間對(duì)應(yīng)的色品圖（左） CIE-XYZ 空間對(duì)應(yīng)的色品圖（右） 不過(guò)這樣的話曲線會(huì)存在負(fù)數(shù)，而上左圖這個(gè)面又好像有點(diǎn)扭曲。為了方便使用，我們可以利用線性的坐標(biāo)變換改變一下形狀，這樣看起來(lái)就好多了。 從上右圖的色品圖中，我們來(lái)看一下，可見光依然是存在在邊界上的，而這個(gè)白色實(shí)線三角形的三個(gè)頂點(diǎn)，正好是汞燈的三個(gè)波長(zhǎng)，所以汞燈所能表示的色彩范圍，就是這個(gè)三角形內(nèi)部框出來(lái)的區(qū)域。那么假如我們想要把色彩范圍擴(kuò)大需要怎么辦呢？其實(shí)我們把其中這個(gè)綠色的光源，向更短的波長(zhǎng)變化，用另一個(gè)波長(zhǎng)的光去替換，變成白色虛線這個(gè)三角形，我們看到它所能表示的，顏色范圍就更大了。另外圖中這個(gè)灰色實(shí)線，和灰色虛線所示的分別是比色卡和常見的計(jì)算機(jī)里所使用的 RGB 空間。 值得一提的是，人們?cè)谶@個(gè)圖中標(biāo)注了一些白點(diǎn)，它們是在不同空間中，所定義的白色。而紅色的這條線，是我們畫出來(lái)的黑體輻射在圖中的分布。我們注意到這些白色的點(diǎn)，總是圍繞在黑體輻射這條線的周圍，這其中蘊(yùn)含了怎樣的道理呢？具有特定溫度的物體，可以發(fā)出比較寬范圍的電磁波，當(dāng)它溫度越來(lái)越高的時(shí)候，會(huì)逐漸往可見光波段轉(zhuǎn)移，直至更短的波段。普朗克黑體輻射公式描述了理想黑體，在不同溫度下所輻射出的電磁波的強(qiáng)度分布。 黑體輻射 比如說(shuō)黑體的溫度從 4000 K，逐漸升到 8000 K的過(guò)程中，對(duì)應(yīng)輻射光譜中紅光的比例越來(lái)越低，而藍(lán)光的比例越來(lái)越高。所以整體上它的顏色，會(huì)從偏紅橙色變?yōu)槠珳\藍(lán)色。而當(dāng)溫度比較適中，比如說(shuō)處于5500 K 到 6500 K 這個(gè)范圍中的時(shí)候，這個(gè)顏色看起來(lái)就非常接近于白色。比較有意思的是，5500 K 恰好是我們太陽(yáng)的光球?qū)铀鶎?duì)應(yīng)的溫度。也就是說(shuō)太陽(yáng)這個(gè)黑體，它所輻射的光，被我們感知為白色。反過(guò)來(lái)想一想更有可能的是，恰恰因?yàn)樘?yáng)在這個(gè)溫度，輻射出了這樣一個(gè)光譜，而我們?cè)谶@個(gè)環(huán)境中生存和進(jìn)化，所以探測(cè)到了這個(gè)范圍，并且把這個(gè)最為常見的光，定義為了白光。 不過(guò)這里我們需要要反思的，就不止是這些了。眼睛是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，包括前面的物理系統(tǒng)、感知系統(tǒng)，還有后面的神經(jīng)系統(tǒng)，每一步都充滿了變數(shù)。 眼見為實(shí)？充滿變數(shù) 04 我們經(jīng)常說(shuō)“眼見為實(shí)”，然而事實(shí)恐怕并不這么簡(jiǎn)單。因?yàn)檠劬h(yuǎn)遠(yuǎn)不只是一部忠實(shí)記錄數(shù)據(jù)的相機(jī)，而是有非常非常多變化的。比如說(shuō)因?yàn)槲锢硪蛩?，?huì)導(dǎo)致一個(gè)東西叫“色差”，我們相機(jī)里也有色差，眼睛也不能例外。它是由于不同顏色的光，對(duì)應(yīng)不同的折射率，這樣同一個(gè)點(diǎn)發(fā)出的白光，成像在我們視網(wǎng)膜上的時(shí)候，前后位置其實(shí)是輕微不同的。因而你感受到的不同顏色物體的遠(yuǎn)近深度是不一樣的。 色差 比如說(shuō)下左圖里邊，紅色和藍(lán)色的形狀，你看一下會(huì)有一種感覺(jué)——好像它并不是在同一層上的，紅色離你比較近，而藍(lán)色離你會(huì)比較遠(yuǎn)一些。 利用這一點(diǎn)，我們還可以做一些廣告詞，我們感覺(jué)到一些字會(huì)“躍然紙上”，如果我們頭左右搖擺一下，有些字似乎在運(yùn)動(dòng)，假如你戴眼鏡的話，眼鏡所帶來(lái)的色差，會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)這個(gè)效果。 當(dāng)然了色差是由于我們的人眼是透鏡系統(tǒng)，反射式的系統(tǒng)就沒(méi)有這個(gè)現(xiàn)象，我們動(dòng)物中也確實(shí)有，采用反射方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，比如說(shuō)扇貝。它的眼睛是靠底層一些嘌呤的結(jié)構(gòu)形成的晶體的平面來(lái)反光，最后像反射式望遠(yuǎn)鏡一樣，成像到視網(wǎng)膜上。不過(guò)這個(gè)系統(tǒng)也有它自己的問(wèn)題，這些微小的結(jié)構(gòu)，尺寸大概在微米量級(jí)，有可能會(huì)導(dǎo)致衍射等其它不好的因素。 扇貝的眼睛是反射系統(tǒng) 人類的眼睛還會(huì)有球差，不對(duì)稱性，不均勻性等許多的問(wèn)題。光線比較強(qiáng)的時(shí)候，瞳孔會(huì)收縮得比較小，這個(gè)時(shí)候還有少量的衍射效應(yīng)，另外一個(gè)我們的視覺(jué)細(xì)胞，也有一定的大小，這導(dǎo)致我們的像素和分辨率，也不能無(wú)限的大，以上幾項(xiàng)因素影響到的視角感知，都在 1′ 量級(jí)，也就是 1/60 度，其實(shí)還算比較好啦，不過(guò)在一些特定的情況下，還是挺明顯的，比如說(shuō)晚上我們看星星，大家會(huì)有一種“星芒”的感覺(jué)，好像冒出了幾個(gè)尖尖，這就是以上這些不均勻性等等，所導(dǎo)致的一個(gè)效應(yīng)。 另外視網(wǎng)膜的生理結(jié)構(gòu)上，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它的層其實(shí)有點(diǎn)不科學(xué)，我們光先是通過(guò)了血管層 神經(jīng)層，最后才到了感光層，這樣會(huì)導(dǎo)致我們感光上，實(shí)際上受到前面的一些影子的影響。有意思的是，章魚它的眼睛系統(tǒng)與人類恰好相反，光是先到達(dá)了感光層，所以它這方面有更好的視覺(jué)。 文昌魚、章魚和人類，它們其實(shí)選擇了不同的進(jìn)化路徑。這從人視網(wǎng)膜的結(jié)構(gòu)上，就可以體現(xiàn)出來(lái)。我們的視覺(jué)細(xì)胞，在視網(wǎng)膜上是有一個(gè)特定的分布的，比如說(shuō)視錐細(xì)胞集中于中央凹區(qū)域，而視桿細(xì)胞則在周圍，整體上來(lái)講，我們看正前方的時(shí)候比較清晰，而四周比較模糊，但是晚上的時(shí)候，光線比較暗，視桿細(xì)胞是起主要作用的，所以我們有時(shí)候，盯著一個(gè)比較暗的星星看，直接看看不著，眼睛稍微那么一偏，反而成像到周圍的視桿細(xì)胞上，而它對(duì)亮度的敏感性更高。另外我們看一個(gè)物體的顏色，其實(shí)它的大小遠(yuǎn)近帶來(lái)的視角變化，導(dǎo)致成像到視網(wǎng)膜上位置不同，也會(huì)帶來(lái)一個(gè)輕微的色彩變化。 以上這些尚可以接受，完全不能接受的是盲點(diǎn)，神經(jīng)細(xì)胞從這里經(jīng)過(guò)，導(dǎo)致這兒壓根就不會(huì)感光，那我們說(shuō)這個(gè)時(shí)候我們看天空，豈不是會(huì)有一個(gè)窟窿，倒也不用擔(dān)心，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候左邊眼睛和右邊眼睛，看見的區(qū)域和盲點(diǎn)的區(qū)域，相互有一個(gè)重合，是一個(gè)互補(bǔ)的狀態(tài)，所以還是能看見的，不過(guò)我即使是一只眼睛，也依然不會(huì)看到有窟窿存在，難道還能無(wú)中生有？我們從下面這個(gè)圖里，來(lái)觀察一下這個(gè)效應(yīng)。 首先我們閉上左眼，用右眼睛去看藍(lán)色的十字，當(dāng)你前后移動(dòng)、靠近和遠(yuǎn)離的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)某個(gè)位置處，右邊的紅點(diǎn)突然不見了，這就是它落到了盲點(diǎn)上消失了，這叫“視而不見”。而另外一件事情，是我們盯下面的藍(lán)色十字，用右眼去感覺(jué)右邊紅色，本來(lái)這個(gè)中間，是有一個(gè)白色的間斷點(diǎn)的，但你挪到某一個(gè)位置的時(shí)候，恰好發(fā)現(xiàn)它連在了一起。這就不得了了，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這里發(fā)生了一件事，叫做“無(wú)中生有”，這個(gè)東西其實(shí)是你“腦補(bǔ)”出來(lái)的，這就涉及到神經(jīng)系統(tǒng)，所帶來(lái)的各種心理因素了，同時(shí)會(huì)帶來(lái)很多很多的錯(cuò)覺(jué)。 心理：神經(jīng)系統(tǒng)與視覺(jué)錯(cuò)覺(jué) 05 我們注意到眼睛里的視桿細(xì)胞，大概有超過(guò) 1 億個(gè)，視錐細(xì)胞也有 500 多萬(wàn)個(gè)，而神經(jīng)節(jié)細(xì)胞僅僅只有 100 萬(wàn)個(gè)左右。從這里我們就可以看出來(lái)，大量的信息，實(shí)際上是在眼部的神經(jīng)系統(tǒng)那里就已經(jīng)做出了預(yù)處理。它其實(shí)不只是感光，還要進(jìn)行信號(hào)的反饋、特征的提取、背景扣除、邊緣增強(qiáng)、環(huán)境對(duì)比等非常多因素，是一個(gè)真正的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。另外再加上大腦的處理，我們的人眼可以實(shí)現(xiàn)更多豐富的功能。 比如說(shuō)這張淡淡的彩色的圖，如果我們盯著中間的十字來(lái)看的話，過(guò)一段時(shí)間你會(huì)發(fā)現(xiàn)，整個(gè)背景變成白色了，這實(shí)際上就是告訴我們，這個(gè)背景長(zhǎng)時(shí)間不變化，顏色又比較淡，神經(jīng)系統(tǒng)覺(jué)得它可能沒(méi)什么用，就不讓我們?cè)訇P(guān)注它了。實(shí)際上你想一想，我們鼻子始終處于眼睛的視覺(jué)范圍內(nèi)，但平時(shí)你可能并不會(huì)關(guān)注到它的存在，只有刻意去看的時(shí)候才感覺(jué)到。這實(shí)際上大大減少了神經(jīng)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，對(duì)于那些不太重要的信息，不必再占用資源。 而這張黑白色的馬赫帶，讓我們感覺(jué)到中間，似乎有一個(gè)明顯的明暗變化，在馬赫帶圖案中，原本每一個(gè)縱向的條紋是顏色一致的，但我們看起來(lái)好像是左邊變亮，右邊變暗了，這個(gè)過(guò)程讓它的邊緣變得更明顯了，這種邊緣增強(qiáng)，有利于我們感知物體的輪廓。 在棋盤這個(gè)圖里，我們看到 A 和 B 兩個(gè)位置，看上去好像明暗并不一樣，但它們實(shí)際上是一樣的，只是因?yàn)橹車h(huán)境不同看起來(lái)不太一樣。這是由于我們眼睛看東西，對(duì)于人眼而言更重要的是感知它的對(duì)比。所以周圍的環(huán)境，會(huì)影響到中心區(qū)域色彩和亮度的感知。 對(duì)于這個(gè)動(dòng)圖就更有意思了，比如說(shuō)光點(diǎn)在移動(dòng)，其實(shí)是有一種運(yùn)動(dòng)感知，以及視覺(jué)暫留效應(yīng)，而紅色點(diǎn)突然消失后旁邊出現(xiàn)綠色，這是一個(gè)視覺(jué)的負(fù)后像效應(yīng)，涉及到視覺(jué)的疲勞，品紅色會(huì)變出它的補(bǔ)色綠色出來(lái)。而當(dāng)你盯的時(shí)間足夠長(zhǎng)以后，整個(gè)這種淺淡的顏色又會(huì)逐步消失，相當(dāng)于一個(gè)背景的扣除。 我們大腦甚至可以加入更多的生活經(jīng)驗(yàn)影響我們感知，比如說(shuō)下方左邊這幅圖里，草莓它是什么顏色的，我們明顯覺(jué)得它是紅色的，但如果你真正把其中的像素點(diǎn)，提取出來(lái)去看它，會(huì)發(fā)現(xiàn)它真的是特別不明顯的紅。這實(shí)際上是我的大腦根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，我們大腦自動(dòng)做了一個(gè)白平衡，等于它自己已經(jīng)求完了一個(gè)方程。再比如說(shuō)下方右邊這件衣服，它到底是白金色還是藍(lán)黑色，不同的人由于生活經(jīng)驗(yàn)，大腦給的這個(gè)信息不一樣，最后看到的顏色也會(huì)不同。 草莓是紅色的嗎？（左） 白金色還是藍(lán)黑色？（右） 回顧與思考 06 我們回顧一下，視覺(jué)其實(shí)是一個(gè)包含物理、化學(xué)、生物、心理等諸多方面的復(fù)雜的過(guò)程。眼睛能夠探測(cè)的，始終是世界的某個(gè)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擾，當(dāng)然，神經(jīng)系統(tǒng)的主觀處理，是有助于生物適應(yīng)環(huán)境的。在不同的環(huán)境中，生物甚至可以演化出，不同的感光結(jié)構(gòu)和視覺(jué)功能來(lái)。 在眾多的學(xué)科中，我們也常常發(fā)現(xiàn)所謂的常數(shù)和線性，往往都是特例，變化才是常態(tài)。眼見未必為實(shí)，假設(shè)需要求證，所以我們還是要注重實(shí)驗(yàn)探測(cè)與理性分析。除了知識(shí)的學(xué)習(xí)，還需要多反思多提問(wèn)，什么是原因？什么是結(jié)果？為什么這樣？可以不這樣嗎？多一些思考，多一些腦洞，多一些學(xué)科融合，科學(xué)探索的過(guò)程才會(huì)更加有趣而精彩。 課后作業(yè)：選取你感興趣的問(wèn)題，查找資料并回答。
悟世界之道，析萬(wàn)物之理，我是中科院物理所副研究員李治林，今天的課程就到這里。謝謝大家！ |
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