王梓 明海

清晨，當(dāng)?shù)谝豢|金色的陽光穿破云層，照耀到你的身上。一片片翠色欲滴的樹葉向你招手，一簇簇鮮紅的花朵向你微笑……你抬頭仰望湛藍(lán)的天空，相信會被這五彩斑斕的世界打動。你可否想過，這么多美麗的顏色從何而來？顏色背后又蘊(yùn)含著怎樣的物理知識呢？

什么是顏色

顏色是人眼對不同波長的可見光的感知。光是一種電磁波，可見光則是波長范圍在380～780nm內(nèi)的電磁波，超出這個范圍的光波人眼看不見，例如紫外線和紅外線。

不同波長的可見光進(jìn)入人眼后，被視網(wǎng)膜上的視錐細(xì)胞收集并轉(zhuǎn)化成電信號，進(jìn)而被大腦感知成不同的顏色信息。例如，波長在540nm左右的光被大腦識別為綠色，而波長650nm左右的光被大腦識別為紅色。

顏色是人類慢慢進(jìn)化出的對不同可見光的主觀感受，很多動物則沒有人類的這種天賦，狗眼睛里的世界就是黑白一片的。而有的動物的辨色能力則比人類的還要強(qiáng)，孔雀就可以看見人看不見的紫外線。

顏色知覺的存在大大豐富了我們眼中的世界，人類一切的審美均基于此，這是上天賜予我們的無比珍貴的禮物。

火焰

火從遠(yuǎn)古時代就一直伴隨人類到今天，帶給人類光明和溫暖。古代，人們還將火列為組成萬物的五大元素之一，受的尊崇就可見一斑。然而火終究不是一種物質(zhì)，火是燃燒過程中釋放光和熱的一種現(xiàn)象。

燃燒是一種劇烈的氧化還原反應(yīng)，伴隨著燃燒物的氣化和大量能量的釋放。氣化的燃燒物中的電子在反應(yīng)過程中被電離進(jìn)入激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的電子躍遷發(fā)射出光波，其中的可見光就形成了火的顏色。

火焰不同的顏色來自于燃燒過程中發(fā)射的不同波長的可見光，例如蠟燭的火苗呈橙黃色，天然氣燃燒則是藍(lán)色的火焰，這與不同可燃物的發(fā)射光譜有關(guān)。火焰的形狀代表了空氣中可燃物分子的分布，火苗會隨著風(fēng)跳動正是因為風(fēng)改變了可燃物分子的分布形狀。

火彩虹

雨過天晴，天邊飛出的一道彩虹，往往會令人心動不已。如果天氣等條件允許的話，你還能一睹火彩虹的真容，景象更為壯觀，宛若童話中的盛景奇觀。

火彩虹是一種發(fā)生在大氣層中罕見的自然現(xiàn)象，看起來就像是在天空中自發(fā)燃燒的彩虹，極為絢麗奪目。

我們知道彩虹是太陽光被大氣中的小水滴折射和反射后形成的。折射是光在進(jìn)入不同介質(zhì)表面時傳播方向偏折的現(xiàn)象。由于不同波長的光折射率不同，偏折角度也不同，不同波長即不同顏色的光會發(fā)生偏離，這就是色散。三棱鏡使光色散就是這個原理。

彩虹就是太陽光被小水滴色散后形成的美麗景象。相比于雨后的彩虹，火彩虹則罕見得多。它一般發(fā)生在太陽位于高角度位置，其光線穿過高海拔帶有較多冰晶的卷云層形成的情況下。卷云層中的冰晶正如三棱鏡一樣，折射太陽光使不同顏色的光波分離開來形成絢麗的彩帶。由于太陽光線射入空氣中冰晶體的角度必須維持在某一特定值范圍內(nèi)，才會產(chǎn)生出這種特殊的彩虹效果，所以火彩虹非常罕見。

幻日

傳說在古代有十個太陽，草木皆枯，人民苦不聊生。堯命令后羿射下九個太陽只保留一個，這便是后羿射日的神話故事。這是中國最早的幻日記載?；萌詹皇巧裨?，也不是一種不祥之兆，而是一種自然界的光學(xué)現(xiàn)象。

原來，當(dāng)云層中存在許多六邊形薄片狀的小冰晶，并且這些小冰晶的排布跟地面大致平行的時候，陽光就會從薄片的側(cè)面射入，經(jīng)過兩次折射后射出，跟原來的方向偏轉(zhuǎn)了大約22度。于是，這樣的折射就會在太陽的左右兩側(cè)各22度的地方，形成兩個幻日。

這兩個幻日實際上是太陽的虛像，只有中間的是真正的太陽。由于折射有色散的作用，幻日通常是七彩的。

發(fā)光的眼睛

很多夜行動物擁有一雙在夜里會發(fā)光的眼睛，它們雙眼射出一道幽光，令人不寒而栗。我們?nèi)祟惖闹覍嵃閭H貓恰好就具備這種能力，不過不要擔(dān)心，它們并非被魔鬼附身，也并非眼中有發(fā)光的細(xì)胞，而是其眼底有一層可以反光的膜狀結(jié)構(gòu)，叫作照膜。

照膜位于視網(wǎng)膜的后方，可以將透過視網(wǎng)膜的部分光線重新反射回視網(wǎng)膜上，讓視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞二次接受光的刺激，從而提高了對光線的利用率，因此貓在黑暗中的視力比人好得多。

我們看到的貓眼發(fā)光其實就是照膜反射回來的光。雖然夜晚的光線很暗，但是貓的瞳孔很大，可以收集非常多的微弱光線并將其反射回來，因而我們就會看到黑暗的背景下閃閃發(fā)光的眼睛啦。

熒光海灘

初夏的夜晚，漫步在沙灘上，海風(fēng)攜著浪花，一遍遍地拍打著海岸。如果你不仔細(xì)看，可能都不會發(fā)現(xiàn)浪花之中閃動著光芒。當(dāng)你踏著浪花駐足觀看，就會發(fā)現(xiàn)腳下點點藍(lán)光，宛如徜徉在星河里。

當(dāng)然，這并非真的是天上的星星墜入凡間，而是海洋中一些能夠發(fā)光的生物聚集在一起，造就了一個夢幻的熒光海灘。這些發(fā)光生物以甲藻類生物為主，這是一類非常原始的單細(xì)胞藻類，它們的發(fā)光細(xì)胞中含有熒光素、熒光素酶這兩種發(fā)光物質(zhì)。

熒光素在熒光素酶的催化下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，并伴隨著電子的躍遷，發(fā)射出可見光。還有很多生物擁有發(fā)光的本領(lǐng)，如像一把傘的發(fā)光水母，通體熒光點點的螢烏賊，晶瑩剔透的磷蝦，它們在夜晚為大海點綴上非凡的色彩，堪比夜空里的星星。

五顏六色的肥皂泡沫

我們小時候都玩過吹泡泡的游戲，將一個環(huán)狀鐵絲或空筆桿蘸上肥皂水或洗衣粉水，就能吹出有著彩色花紋的氣泡，這氣泡與我們在晴朗天氣洗衣服時看到的氣泡是一樣的。

氣泡本是無色的，為何在太陽光下會顯現(xiàn)出彩色呢？這其實是一種薄膜干涉現(xiàn)象。干涉是相同波長的光相遇時進(jìn)行疊加的現(xiàn)象。波峰與波峰相疊加會使得干涉增強(qiáng)，波峰與波谷疊加則會干涉相消。太陽光其實包含各種顏色的光，在進(jìn)入薄膜后在薄膜外表面和內(nèi)表面反射的光形成干涉。

由于重力的原因，氣泡表面不同的地方厚度不一樣，使得不同波長也即不同顏色的光在不同的地方干涉增強(qiáng)，相反其他波長的光由于干涉被削弱，因此氣泡表面不同厚度的地方會反射出不同顏色的光，好似披上了一件華麗的外衣。

變色龍

大自然中有很多五顏六色的動物，有的還能隨意改變自己的顏色，變色龍就是其中之一。變色龍擁有神奇的變色能力，通過改變體表的顏色完美地與外界環(huán)境融為一體，令人嘆為觀止。

變色龍之所以能夠迅速地改變體色，通常的觀點認(rèn)為，變色龍通過色素細(xì)胞的舒張和收縮調(diào)和成不同的顏色。

然而，最新的研究表明，事實并非如此。各種生物所表現(xiàn)出的顏色可分為兩大類：化學(xué)色和結(jié)構(gòu)色?；瘜W(xué)色是由生物體內(nèi)的各種色素引起，諸如黑色素，血紅素，葉綠素，胡蘿卜素，等等，它是生物體內(nèi)實實在在的顏色。結(jié)構(gòu)色又稱物理色，它們由特定波長的光線與某些納米級的結(jié)構(gòu)發(fā)生散射、干涉或衍射等作用產(chǎn)生。

變色龍能夠變色正是因為它們真皮細(xì)胞表面的一層虹細(xì)胞，通過改變這一細(xì)胞層內(nèi)部的鳥嘌呤納米晶體的排列結(jié)構(gòu)，變色龍就可以實現(xiàn)顏色的變化。當(dāng)光入射到這些納米晶體上時，不同波長的光在特定方向上干涉增強(qiáng)，其他波長的光由于干涉被削弱，變色龍因此顯現(xiàn)出絢爛的體色。同樣，變色龍通過改變虹細(xì)胞中的納米晶體的排列結(jié)構(gòu)，反射出不同波長即不同顏色的光，從而實現(xiàn)變色。

準(zhǔn)確地說，變色龍應(yīng)該叫變形龍，它對虹細(xì)胞內(nèi)的納米晶體結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控比起變形金剛來要厲害得多！同樣因為結(jié)構(gòu)顯色的還有蝴蝶的翅膀。

霧凇

在我國北方的松花江岸邊，每到冬天，你會看到“忽如一夜春風(fēng)來，千樹萬樹梨花開”的美景，這就是聞名的吉林霧凇。當(dāng)霧凇出現(xiàn)的時候，漫漫長堤，原本綠葉落盡的樹木華麗轉(zhuǎn)身，銀裝素裹，把人們帶入一個晶瑩剔透的冰雪世界里。這其實是凝華的物理現(xiàn)象。凝華是氣態(tài)物質(zhì)遇冷轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)物質(zhì)的物理過程。

冬天的松花江水和地面溫差常在30℃左右，江水與空氣之間產(chǎn)生了巨大的溫差，松花江源源不斷釋放出的水蒸氣遇到兩岸冰冷的樹木，便凝華形成白色松散的冰晶，這就是霧凇。

人類經(jīng)過千萬年的進(jìn)化擁有了顏色知覺，因此我們眼中的世界并非真實的世界，而是經(jīng)過大腦處理附加上了顏色信息的世界，聽起來是不是非常的有趣。更加有趣的是色彩背后深刻的物理知識，掩藏在美麗的表象后等待發(fā)掘。這一切都在告訴我們，你所見到的并非一定理所當(dāng)然，主觀臆想并不可取，勤于思考和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究才是發(fā)現(xiàn)真理的唯一途徑。