色彩是大自然對人類的微笑。

——諾貝爾物理學獎獲得者Frank Wilczek

撰文 | 林鳳生（上海大學教授）

01
色彩與色覺

“赤橙黃綠青藍紫，誰持彩練當空舞？雨后復斜陽，關(guān)山陣陣蒼?！边@是出自《菩薩蠻·大柏地》的詞。在夏日的午后，雨過天晴空氣里充滿了雨珠，在斜陽的照射下映現(xiàn)出美麗的彩虹。

物理學說：光是一種電磁波，每一種顏色的光都有一定的波長，可見光由紅到紫對應的波長在390-760納米。當由七種色光組成的陽光照射到懸浮在天空的雨珠上，經(jīng)過入射、幾次反射，再折射離開雨珠，因為各種色光對水的折射率不一樣發(fā)生了色散，形成了一條彩色的虹。折射光進入觀察者的眼睛，人就看到了彩虹。

請讀者留意：觀察者看到的赤橙黃綠青藍紫是一種主觀體驗，叫做色覺。與光學上說的色光（一定頻率的電磁波）不是一回事。色覺是人的一種主觀體驗，所以大千世界里的五光十色，在每個人的眼里、頭腦里的感覺也是不盡相同的。

02
色覺的三要素

為了能精準地描述人對顏色的感受，生理—心理學提出三要素概念：色調(diào)、飽和度和亮度。色調(diào)也就是顏色，赤、橙、紅、綠、青、藍和紫等來自太陽光的叫做光譜色，此外還有紫紅、洋紅、苯胺紫、棕褐色、橄欖綠等光譜中沒有的顏色。

飽和度也就是顏色的深淺，在紅色中加了一些白色就成了飽和度較低的粉紅色。亮度是一個容易與物理學里光的強度混淆的概念。在物理學中光的強度取決于單位時間里發(fā)射的光量子的數(shù)目，而視覺感受到的顏色亮度與此大相徑庭。

例如強度完全相同的黃色光和藍色光，人眼看起來黃光更亮，藍光要昏暗得多。道理很簡單，因為人的視網(wǎng)膜對550納米的黃綠光最為靈敏，所以感覺最亮。這也是人類萬億年視覺進化的成果吧！因為在地球表面，波長在這個區(qū)域的光線強度最大。（以前用的白熾燈發(fā)光也在這個區(qū)域。近年來嶄露頭角的LED燈和其它光源，他們通常發(fā)出波長450納米的藍色光，雖然節(jié)約了能源，對視網(wǎng)膜的損傷恐怕不容小覷。）而由此進化而來的人的眼球，前部的黃色晶狀體，不僅是一個可以調(diào)節(jié)焦距的透鏡，還起到了一個濾色鏡的作用。

圖1：莫奈《日本橋》

它為黃綠色光的通過大開方便之門，對藍色和紫色的光有一定的吸收和阻礙，并截然切斷了波長范圍為400納米的遠紫色部分。年老的畫家在繪畫里比較少的使用藍色的或紫色的色調(diào)。就是因為隨著年齡增大，眼睛晶狀體的黃色越深，對于一般的藍色與紫色看不見了。圖1是莫奈大師82歲畫的《日本橋》，原來就有白內(nèi)障的他由于晶狀體黃色沉積又患上了黃視癥，看到的一切都泛黃色，在畫中可見一斑。

他哀傷地說：“紅色對我來說像泥巴，橙色太談，許多顏色都離我而去。”畫中出現(xiàn)的少許紫藍色，據(jù)記載是他憑顏料錫管上的標簽來辨認它們的，因為此時的莫奈已經(jīng)分不清顏色了。莫奈在接受第二次白內(nèi)障手術(shù)時，醫(yī)生摘掉了他的晶狀體，于是他看出去一些東西又都成紫色，不得不去配了一付黃色的濾色鏡才能看到東西。后來的抽象畫派推崇莫奈大師的晚期畫出了“最柔和、最蒙朧、最迷幻的美麗作品”。

近十幾年來的科學研究發(fā)現(xiàn)，眼球的晶狀體會變得混濁、發(fā)黃不僅僅是老年人的專利，在紫外線強烈的熱帶地區(qū)的居民也會如此。事實上，這是晶狀體自我保護的一種手段，進而引起了視覺障礙，所以那里的土著人會看不到藍色，甚至在他們的語言里沒有“藍色”一詞。

03
二種視覺細胞

人的視網(wǎng)膜里存在二種視覺細胞：錐細胞和桿細胞。錐細胞有600萬個，主要集中在視網(wǎng)膜中心，有一個小而淺的凹處稱為小窩，比針尖還小，眼睛所有細微的觀察都要靠它；桿細胞有1.2億個，分布在視網(wǎng)膜的四周外圍。

正是這兩種神經(jīng)器官的聯(lián)袂工作、交替活動，讓人既能看到色彩繽紛的美景，也能感受灰暗朦朧的夜色，既能全神貫注地注視物體的精細結(jié)構(gòu)，也能通過匆匆一瞥了解環(huán)境的大體輪廓。而人的眼球在大腦反饋的指令下不斷地運動，使視網(wǎng)膜上的圖像不斷地更迭變化，派生出許許多多奇妙的神經(jīng)感受。

在極弱的光線下，比如星光或不太明亮的月光下，只有桿細胞在起作用，靈敏度差一點的錐細胞則完全沒有被激發(fā)；在較弱的光線下（大約是人眼所能感應的最低亮度的一千倍時），錐細胞便開始起作用了，對顏色有微弱感覺是它們開始起作用的標志；在中等亮度范圍內(nèi)，桿細胞和錐細胞同時起作用。隨著亮度的增大，錐細胞開始主宰了視覺，這時我們看到的是五光十色的大千世界。

有趣的是，在外界光線由強轉(zhuǎn)弱或由弱轉(zhuǎn)強的過程中，由于是二種兩種視覺細胞的聯(lián)袂工作，還會產(chǎn)生一種奇妙視覺現(xiàn)象——浦肯雅現(xiàn)象。

圖2：二種視覺細胞（桿細胞和錐細胞）對不同波長的電磁波的光感受

浦肯野（1787—1869），捷克生理學家，在神經(jīng)科學上多有建樹。1825年他觀察到一種現(xiàn)象：在凌晨的曙光中藍色物體看起來要比紅色物體亮一些，但是隨著晨光的到來，它們又逐漸變暗。

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是二種視覺細胞對光譜的感光度上有很大的差別: 桿細胞的最大感光度大約在500納米的藍綠光區(qū)域（靠近藍色）；而錐細胞的最大感光度在560納米的黃綠光（靠近紅色）（圖2）。所以當我們從成像不佳的弱光轉(zhuǎn)為成像清晰的強光時，人眼的感光度會移向紅端，所以原來比較暗的紅色也變得與藍色一樣亮了。

為了讓讀者感受浦肯雅現(xiàn)象的奇妙，筆者選擇了一幅蒙特里安的作品《紅、黃、藍》（圖3），想借助畫面上非常濃郁而純凈的藍色和紅色來做試驗。荷蘭畫家蒙特里安是藝術(shù)史上著名的抽象畫大師，“格子畫”是他后期的特色，在形式多種多樣的格子里分別涂上了黃色、紅色和藍色。請讀者先在昏暗的環(huán)境下觀看此畫，然后在日光下觀看，此時你可以觀察到浦肯野現(xiàn)象。

圖3：原來明亮的藍色漸次顯得黯談，而紅色的卻格外鮮艷。

事實上，在觀眾的眼睛里，不同的外部光線作用下，畫上的顏色會發(fā)生變化，這種類似的效應還有如燭光效應。20世紀前，許多畫家在創(chuàng)作的時候常常用燭光照明，燭光是一種橙色的光源，后來他們的作品放在博物館里展覽的時候都用白光照明。所以觀眾在博物館里看到的與原作比較，在色彩的感覺上有很大的區(qū)別。畢加索的某些展覽作品呈現(xiàn)藍色（圖4），被藝術(shù)史家稱為他創(chuàng)作的“藍色時期”，最近有文獻說，這也許是燭光效應在起作用。

圖4：畢加索《藍色時期的作品》

04
一條視覺的顏色通道

1964年，由生理學家E.F MacNichol用實驗發(fā)現(xiàn)承擔顏色感知主要任務的視錐細胞有三種類型：第一類對波長420納米藍色光最靈敏（藍視錐細胞）；第二類對波長534納米綠色光最靈敏（綠視錐細胞）；第三類對波長564納米紅色光最靈敏（紅視錐細胞），它們組合起來使人的眼睛可以分辨100萬種顏色。

視錐細胞送到視神經(jīng)的信息是一連串電脈沖，送出電脈沖的速率依賴于光的強度和波長。視覺神經(jīng)通路從視網(wǎng)膜開始，到達大腦的初級皮層V1區(qū)，然后把專門處理顏色、形狀等信息通向顳葉，這一條通路也稱為小細胞系統(tǒng)。與專門處理空間、運動等信息、也經(jīng)過初級皮層V1區(qū)，再通向大腦頂葉的大細胞系統(tǒng)相對獨立，互相配合。

大腦在接收到視覺信息后還要與原來貯存的信息資料分析、比較才能得出結(jié)論。例如盆栽的紅花、綠葉在昏暗的照明下，桿細胞獲取的是黛花、灰葉的信息，但大腦經(jīng)過判斷仍然確認它是紅花綠葉。有一種比喻，把確定空間位置和運動的大細胞系統(tǒng)看成是“視知覺家庭”的男主人，把處理顏色的小細胞系統(tǒng)看成是家里的太太，起著添光增彩作用，到也十分形象。

小細胞系統(tǒng)是接收和傳遞顏色信息的主要通道，其中任何一個環(huán)節(jié)受損，便會讓病人的視野大為遜色。圖5是三幅筆者參考了由視覺神經(jīng)科學家OliverSack通過測試制作的圖像原理，重新找到一幅梵高的作品圖制作的。

圖5（上）：梵高《風景》——正常人眼里的圖像

圖5（中）：紅\綠色盲病人眼見的圖像：梵高《風景》，畫中的綠色草地和紅色的房頂都褪色了

圖5（下）：色盲病人眼中的梵高《風景》

上圖是一般人的視覺圖像；中圖是第二類\第三類視覺錐細胞有缺損的病人見到的視覺圖像；圖中顯示的紅\綠顏色與正常視覺有很大差異；下圖是大腦處理色彩部分受到損傷者見到的視覺圖像，完全失去光彩，成為灰蒙蒙的一片。

科學家說造成色盲（中圖）的原因是位于X染色體上的長—中波長的視錐細胞基因缺損。由于女性有兩條X染色體，而男性只有一條。因此，帶有一個基因突變的女性還可以有正常的色覺，而男性沒有這樣的幸運，就此造成色覺異常了，所以有男性色盲占多數(shù)，而女性色盲者不足百分之一。

事實上，第二類\第三類視覺錐細胞有缺損的病人也不是真正的色盲，他們還是能夠與正常人一樣區(qū)分許多顏色，只是會把幾組正常人看起來不同的色彩當做一樣的了。第一類視覺錐細胞的自我保護能力遠勝于上述二類，因為每個人都有它的基因拷貝，所以很少見到有因缺少短波長的視錐細胞基因而無法區(qū)別黃綠及藍色光的病例。而大腦處理色彩的部分受到傷害了，視覺景象成了真正的“黑白”片。

有趣的是，一些著名的繪畫大師也是紅\綠顏色盲，如英國風景畫家JohnConstable，就是一位，當他看到粉色、紅色或者橘黃色時候，他無法感知紅色的部分，所以只能看到剩下的綠色和藍色。圖6是他的代表作《威文侯公園》，從中也可以看出一些端倪。

圖6：John Constable《威文侯公園》

我國近代著名畫家黃賓虹88歲的時候，白內(nèi)障急遽惡化，雙目近乎失明。顯然他視網(wǎng)膜的黃斑受損，色覺已經(jīng)蕩然無存，但是黃賓虹仍作畫不輟，畫風一新，不過都是沒上顏色的水墨畫。

黃賓虹《山水畫》89歲作品

05
色覺與情感

正由于人類具有比較敏銳的色覺系統(tǒng)（3種視錐細胞和一條專門的視覺的顏色通道），較之大多數(shù)只有2種、甚至1種視錐細胞，只能感受灰色、無趣環(huán)境的哺乳類動物不同。有幸享受大千世界里的色彩繽紛。

諾貝爾物理學獎獲得者Frank Wilczek說：“色彩是大自然對人類的微笑?！彼囆g(shù)史家貢布里希也說：“沒有一種視覺元素能夠像色彩那樣給我們那么多的愉悅。”所以，色彩與人的情感之間的關(guān)系相當密切。許多人都有自己喜歡的色彩，并且總是受到它的吸引：他們會穿這種顏色的衣服，甚至把房間的墻壁涂成這種顏色。

研究證明，色彩能夠影響人的心理和生理反應。研究美學的英國心理學家布洛（Edward Bullough）認為，色彩最容易引起人的兩種心理活動：聯(lián)想和移情，而這兩種心理活動恰好是啟動人的情感活動的金鑰匙。人們在看到某種顏色時，往往立刻想到和它有關(guān)的事物，例如看見藍色就想到天空和海洋，見到綠色就想到草木。再進一步，聯(lián)想可以把以往附著在某種事物上的情感轉(zhuǎn)移到和它相關(guān)的顏色上去，比如我們把綠色與生命、健康、環(huán)保和生機勃勃聯(lián)系起來，把它看成生命與自然的象征，這便是移情。

當然，這樣的感受因人而異。不過，色彩絢麗的作品容易引起觀眾的共鳴，這也是不爭的事實。所以，20世紀初，當西方擺脫了寫實傳統(tǒng)的桎梏，以色彩為特點的現(xiàn)代繪畫流派就脫穎而出，圖7是20世紀初橫空出世的野獸派大師馬蒂斯的《紅色的餐桌》，他的作品濃墨重彩，非常吸引觀眾的眼球。

圖7：《紅色的餐桌》

圖8：邁克爾·懷特設(shè)計的實驗圖，其右側(cè)的灰色看上去似乎要比左側(cè)的灰線更加明亮。但是，測量儀器會告知我們，它們的灰度是完全一樣的。

雖說色覺是人類對顏色的感覺，是一種主觀體驗，不僅僅取決于人的視覺系統(tǒng)、大腦的視皮層，以及人的心理和生理等等個人因素，與被觀察的客觀對象息息相關(guān)也是顯而易見的。

最值得關(guān)注的（也是畫家最需要掌握的）是視場對比（見圖8）。讀者有體會，把二種不同的色彩放在一起，觀察者對色彩的感受會發(fā)生改變。


關(guān)注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回復【最新活動】，了解近期科普活動
回復【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回復【研學營】，了解最新科普研學營
回復【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復【團體定制】，了解最新團體定制活動
回復【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復【觀鳥知識】，學習觀鳥相關(guān)科普知識
回復【博物學院】，了解更多博物學院活動詳情