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光的三原色與視神經的對比傳遞

Desiring Clicks
・2013/08/08 ・1436字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

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在國中的物理課程中,我們學到光是由光的三原色所組成,分別是紅色、綠色和藍色,這三種顏色的光組成了我們五彩繽紛的世界。但是在 1878 年,由 Ewald Hering 所提出的色彩拮抗論則是提出了四色論的論點,這個論點主張色彩的視覺系統主要是由紅、黃、藍、綠四個顏色所組成的。這個論點獲得了許多的支持,例如色彩命名實驗中,把各種在可見光譜上出現的顏色呈現給受測者,要求他們以自己認為最精準的詞彙說出顏色的名稱,果不期然,紅、黃、藍、綠四個顏色果然特別突出,最容易被受測者所判別。這是怎麼回事?光只有三原色,可是我們的眼睛卻以四個顏色為基礎?

我們在「低解析度的人類視網膜?」討論過視網膜上的細胞主要分成錐細胞和桿細胞兩種,而其中經過實驗的證實錐細胞的光譜吸收曲線,主要是在光譜上的 450 nm、540 nm 和 580 nm 三種波長,剛好對應到藍、綠、紅三種顏色的光線。我們可以簡單的想像我們的眼睛裡面主要有三種細胞,分別負責不同的波長的光線,然後排列組合後變成了我們看到的世界。但這依舊沒有辦法解釋黃色是怎麼被我們當成基本色的?

如果我們更深入的研究視網膜,會知道錐細胞和桿細胞接收到刺激以後,把這些刺激轉成訊號交給水平細胞和兩極細胞接手,奇蹟就在這裡發生了,訊號在這裡被重新排列組合,達成一種非常類似電子訊號常距離傳遞的方法,來幫助我們降低色彩訊號的干擾。如下圖所示,紅色和綠色分別被相加與相減,而被相加的紅綠訊號則形成了黃色訊號(就像我們用 RGB 色碼一樣,FF0000 紅色加上 00FF00 綠色則變成了 FFFF00 黃色),最後黃色訊號再與藍色訊號進行對比。這個神奇的轉換把視網膜上接收到的絕對訊號轉換成了相對訊號,就像電子訊號一樣,相對訊號被送到大腦即使衰減,也可以利用類似放大器的機制來還原感受。

這似乎解釋了我們對色彩後像(Color Afterimage)的成像原因,所謂的色彩後像,是指我們的盯著某個顏色 30 秒,然後將眼球的注意力移動到白色的區域上,原本在視網膜上面的成像會變成非常鮮明的對比色。例如下圖的紅色正方形,注視 30 秒後看旁邊的白牆,會出現非常清楚的綠色。而藍色的對比則是黃色,這些互補關係都是因為我們已經被刺激到的細胞疲勞,所以誤判顏色訊號所導致的。

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我們對於光的感覺本來就具有色彩恆常性,不管我們在黃光還是白光底下,幾乎都可以正確的判斷出紅色、綠色與白色等顏色。一個紅色的蘋果被拿到其他顏色的光線底下,我們還是可以判斷出他是紅色的蘋果。對於光的強度也有類似的效應,我們在電影院裡面看到的海灘陽光,跟真正的海灘陽光的照度有絕對的差距,但我們依舊還是會覺得電影裡的陽光很刺眼。就像數位相機需的自動調整白平衡功能,我們的大腦似乎天生就具備了這種機制,幫助我們快速的調整並適應各種環境與光源。

 

參考文獻:

  • 陳一平(2011)。視覺心理學。台灣:翔郁整合行銷。
  • Ware, Colin (2008). “Visual Thinking: for Design”

(Image via Raksh1tha, CC License )

 

延伸閱讀:

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【成語科學】雨過天青:天空為什麼是藍色的?傍晚的橘紅色天空又是怎麼形成的?
張之傑_96
・2023/10/06 ・1183字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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下過雨後,天空藍得透明。這個自然現象,衍生出成語雨過天青,比喻情況由壞轉好。雨過天晴也有同樣的意思,不過仍以雨過天青較為正式。閒話少說,讓我們造兩個句吧。

這事挽救及時,現已雨過天青。

雨過天青,您的事可以放心了。

下過雨後,天空藍得透明。圖/pixabay

這個成語還有個故事呢。有一種瓷器,稱為雨過天青,起源於五代‧後周柴世宗。某日臣子請示,皇家瓷器要燒成什麼顏色?柴世宗隨手批示:「雨過天青雲破處,這般顏色作將來。」工匠經過多次實驗,終於燒製出來,這就是有名的「柴窯」。由於沒有作品傳世,柴窯的真面目已無從查考。

談到這裡,該談談這個成語的意涵了。大雨過後,天空為什麼藍得透明?這是因為空氣中的灰塵隨著雨下降下,空氣較為潔淨的關係。喜歡打破沙鍋問到底的小朋友或許還會問:為什麼空氣潔淨、天就較藍?

這要從天空為什麼呈藍色說起。空氣的成份,主要是氮氣和氧氣。晴天的時候,射到地球上的陽光碰到空氣中的氮分子或氧分子,會引起散射作用。藍光的波長較紅光短,散射得較厲害,看在我們眼裡,天空就成為藍色的。

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藍光的波長較紅光短,散射得較厲害,看在我們眼裡,天空就成為藍色的。圖/pixabay

這個道理看起來好像很簡單,但是人類明白這個道理是 19 世紀末的事。1873 年,英國物理學家瑞利是第一位看天看出名堂的人。他的散射理論——瑞利散射,破解了天色的秘密。

在陽光的七種色光中,紅、橙、黃光的波長較長,藍、靛、紫光的波長較短。空氣中的氧分子、氮分子,大小恰好可以散射波長較短的藍光,藍光散了一天,天空當然呈藍色的。

到了傍晚,夕陽西下,陽光打斜裡射過來,較接近地面,而地面的空氣含有較多的水氣和灰塵,粒子比氧分子、氮分子大得多,較容易散射波長較長的紅光、橙光或黃光,艷麗的晚霞就是這樣散射出來的。

陽光打斜裡射過來,而地面的空氣含有較多的水氣和灰塵,較容易散射波長較長的紅光、橙光或黃光。圖/pixabay

如果天上懸浮著小水滴,也就是雲,那又是另一種景象。小水滴比灰塵大得多,各種波長的色光都能被它散射,結果雲就成為白色的。如果雲層較厚較密,陽光穿不過去,就變成了灰色或黑色。白雲蒼狗,不過是陽光玩的把戲而已!

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當雲聚成雨滴的時候,顆粒就更大了,大得具有稜鏡的作用。倘若一邊已出太陽,一邊還在下雨,陽光穿過雨滴,就會形成彩虹。噴泉和瀑布上也可以出現彩虹,原理是一樣的。

張之傑_96
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張之傑,字百器,出入文理,著述多樣,其中以科普和科學史較為人知。

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【成語科學】青出於藍:用藍草提煉出的藍染染料——靛青
張之傑_96
・2023/10/04 ・1065字 ・閱讀時間約 2 分鐘

戰國時大哲學家荀子寫過一篇〈勸學〉,鼓勵大家好好學習。

文章中有這樣一段話:「青,取之於藍而青於藍;冰,水為之而寒於水。」意思是說,靛青是從藍草中提煉出來的,但顏色比藍草還要青;冰是水結凍而成的,但溫度比水還要低。

成語「青出於藍」就是從這段話演變出來的,用來比喻弟子勝過老師,或後輩優於前輩。談到這裡,讓我們造兩個句吧。

他的繪畫得自母親傳授,但已青出於藍。

名師出高徒,這些學生早已青出於藍了。

接下去要談談這個成語的科學意涵了。首先要說明的是:「青」這個字,除了有綠的意思,也有藍的意思;譬如「青天」,指藍天;青瓷,指藍色的瓷器;靛青,指一種藍色的染料,用來「藍染」,將白布染成藍色。

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譬如「青天」,指藍天。圖/pixabay

靛青,一般稱作靛藍。用來提取靛藍的植物主要有 4 種:爵床科的馬藍,豆科的木藍,蓼科植物蓼藍和十字花科的菘藍。台灣一般將藍草稱作大菁,其中最常用的是馬藍。

提取藍靛,首先要將馬藍的新鮮葉子浸泡在水中,讓葉子腐爛,溶解出藍靛。然後撈出腐爛的葉子,加入適量的石灰,攪拌,使藍靛和石灰起化學作用,待沈澱成不溶性的泥狀物,取出過濾,就可以得到藍靛。

泥狀物的靛藍,不溶於水,無法直接染色,必需先將其「還原」成暗綠色染液,這個過程稱為「建藍」。建藍的工序很複雜,限於篇幅,就不多說了。當要染的布自染缸中取出,染料一接觸空氣,就會進行「氧化」作用,再度「還原」成為不溶性的靛藍。

染布的時候,要反覆地在染缸中浸泡,取出擰乾、晾曬,讓染料與空氣中的氧起氧化作用,就會從暗綠色轉變成藍色。染的步驟重複愈多次,色調就會愈深。染好了用水漂洗,洗到水變清為止,然後以醋定色,晾乾後就大功告成了。

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藍染的時候,如果按照事先設計好的方式,把布紮起來,被紮緊的地方染色較淺,這樣就可以染出自己設計的圖案,這是藍染最迷人的地方。

藍染可以染出自己設計的圖案,這是藍染最迷人的地方。圖/pixabay

自從有了化學染料以後,費時、費工的藍染漸漸退出歷史舞台。然而藍染的藝術性以及個性化,使得這一流傳幾千年的工藝仍綿延不絕。如今三峽等地仍有藍染作坊,如三峽歷史文物館旁的藍染展示中心,還可供人 DIY 呢。

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人類是少數能看見斑馬條紋的物種!人類的視力到底有多好?——《五感之外的世界》
臉譜出版_96
・2023/09/18 ・1882字 ・閱讀時間約 3 分鐘

長久以來,生物學家一直都在探討為什麼斑馬會有如此奇怪的黑白斑紋,直到他們談話的當下,卡羅依然在探究這個問題。他告訴梅林,其中最早出現、最廣為人知也令人意外的推測,是認為這些斑紋其實是斑馬的保護色。斑馬身上的黑白條紋毛色能夠擾亂掠食者(如獅子、鬣狗)的視線,讓牠們看不清楚斑馬的輪廓,也可以讓斑馬的身影融入周遭聳立的樹木之間,又能夠在斑馬跑動時讓其他動物感到視線模糊。

斑馬身上的斑紋在其跑動時會讓其他動物感到視線模糊。

但梅林對這些說法抱持著存疑的態度,她回想自己當初的反應:「我那時候表情應該很怪。我對他說:『大部分的肉食性動物都是在夜晚獵食,而且牠們的視覺根本不如人類靈敏,因此很有可能根本看不到那些斑紋。』」提姆這時驚訝地忍不住脫口而出:「什麼?」

斑馬紋隱身術

人類視覺處理細節的能力幾乎比其他任何動物都來得好;梅林也發現,正是因為這種特別敏銳的視力,人類才成了少數能夠看見斑馬條紋的物種。她和卡羅找了個光線明亮的日子,計算出擁有絕佳視力的人類能夠在一百八十二公尺左右之外的距離就分辨出斑馬身上的黑白條紋,獅子則得拉近到八十二公尺左右的距離才看得出來,鬣狗更是要到四十五公尺左右的距離才看得清楚。一旦到了掠食者最常打獵的黃昏或清晨時分,牠們則得再拉近約莫一半的距離才能看見斑馬身上的紋路。

所以梅林的想法沒錯:斑馬身上的條紋不可能是牠們用來匿蹤的保護色,因為掠食者都得靠得很近才看得到這些紋路,然而假如真的距離這麼近,這些天生的獵人早就聽見或聞到斑馬的蹤跡了,實在無需仰賴視力。在肉食動物與斑馬平時間隔的距離之下,這些紋路其實根本都融成了一片灰濛濛的顏色;對正在打獵的獅子來說,斑馬看起來跟驢子其實也沒什麼不同。

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人類其實視力超好的?

動物的視覺敏銳度以單位視角週期數(cycles per degree)為測量單位——這個概念剛好可以用剛剛的斑馬條紋來做例子。各位伸出手臂並豎起大拇指,你的指甲大約可以代表一單位視角;以你的手臂為距並涵蓋四周三百六十度的距離範圍來說,各位應該可以在指甲上畫了六十至七十條黑白條紋的情況下,依然辨識得出黑白條紋之間的區別。因此人類視覺敏銳度的單位視角週期數便約為六十至七十;目前的最高紀錄是來自澳洲的楔尾鵰(Aquila audax),牠們的視覺敏銳度之高,單位視角週期數高達一百三十八。

楔尾鵰擁有動物世界中最細的光受體,這也使牠們的視網膜裡可以密密麻麻地塞滿大量光受體;有了這些細窄的感光細胞,楔尾鵰敏銳視力的畫素大約是人類的兩倍,也因此可以在大約一點六公里之外的距離看見小小一隻大鼠。

然而老鷹和其他猛禽卻是少數視覺比人類敏銳得多的物種。感官生物學家愛倫諾.凱福斯(Eleanor Caves)搜羅了上百種動物的視覺敏銳度,發現人類的視力幾乎超越了所有物種。除了猛禽以外,就只有其他靈長類動物的視覺敏銳度能與我們比肩了。

人類的視力幾乎超越了所有物種。圖/pixabay

各種動物的視覺敏銳度以單位視角週期數表示如下:章魚為四十六、長頸鹿為二十七、馬為二十五、獵豹為二十三,視力表現還算不錯;而獅子卻只有十三,僅略高於人類法律中定義為全盲的單位視角週期數:十。然而其實除了上述物種之外,大部分動物的視覺敏銳度都低於人類視為全盲的門檻,其中包括半數的鳥類(令人意外的是,蜂鳥和倉鴞都在此行列之中),大部分的魚類與所有昆蟲;例如蜜蜂的單位視角週期數竟只有一,這也就表示你伸出去的那隻大拇指在蜜蜂眼裡就代表著一個畫素,至於拇指上畫的其餘細節在牠們眼中都是一團模糊。另外還約有百分之九十八的昆蟲視力比這還要更弱。

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凱福斯說:「人類真的很怪。我們的其他任何感覺根本連摸都摸不到可以稱為頂尖的邊,卻唯獨在視覺敏銳度上傲視群雄。」矛盾的是,人類雖有優良的視力,卻也因此失去了能夠欣賞其他環境界的視野,因為「我們以為自己看得到的,其他物種一定也能看見;認為那些對人類來說顯而易見顯眼的事物,對其他動物來說也一定難以忽視。但實際上卻並非如此。」凱福斯如此說道。

——本文摘自《五感之外的世界》,2023 年 8 月,臉譜出版,未經同意請勿轉載。

臉譜出版_96
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