物理之眼看“色”奇观

清晨，当第一缕金色的阳光穿破云层，照耀到你的身上。一片片翠色欲滴的树叶向你招手，一簇簇鲜红的花朵向你微笑……你抬头仰望湛蓝的天空，相信会被这五彩斑斓的世界打动。你可否想过，这么多美丽的颜色从何而来？颜色背后又蕴含着怎样的物理知识呢？
　　什么是颜色
　　颜色是人眼对不同波长的可见光的感知。光是一种电磁波，可见光则是波长范围在380～780nm内的电磁波，超出这个范围的光波人眼看不见，例如紫外线和红外线。
　　
　　不同波长的可见光进入人眼后，被视网膜上的视锥细胞收集并转化成电信号，进而被大脑感知成不同的颜色信息。例如，波长在540nm左右的光被大脑识别为绿色，而波长650nm左右的光被大脑识别为红色。
　　颜色是人类慢慢进化出的对不同可见光的主观感受，很多动物则没有人类的这种天赋，狗眼睛里的世界就是黑白一片的。而有的动物的辨色能力则比人类的还要强，孔雀就可以看见人看不见的紫外线。
　　颜色知觉的存在大大丰富了我们眼中的世界，人类一切的审美均基于此，这是上天赐予我们的无比珍贵的礼物。
　　火焰
　　火从远古时代就一直伴随人类到今天，带给人类光明和温暖。古代，人们还将火列为组成万物的五大元素之一，受的尊崇就可见一斑。然而火终究不是一种物质，火是燃烧过程中释放光和热的一种现象。
　　燃烧是一种剧烈的氧化还原反应，伴随着燃烧物的气化和大量能量的释放。气化的燃烧物中的电子在反应过程中被电离进入激发态，处于激发态的电子跃迁发射出光波，其中的可见光就形成了火的颜色。
　　火焰不同的颜色来自于燃烧过程中发射的不同波长的可见光，例如蜡烛的火苗呈橙黄色，天然气燃烧则是蓝色的火焰，这与不同可燃物的发射光谱有关。火焰的形状代表了空气中可燃物分子的分布，火苗会随着风跳动正是因为风改变了可燃物分子的分布形状。
　　火彩虹
　　雨过天晴，天边飞出的一道彩虹，往往会令人心动不已。如果天气等条件允许的话，你还能一睹火彩虹的真容，景象更为壮观，宛若童话中的盛景奇观。
　　火彩虹是一种发生在大气层中罕见的自然现象，看起来就像是在天空中自发燃烧的彩虹，极为绚丽夺目。
　　我们知道彩虹是太阳光被大气中的小水滴折射和反射后形成的。折射是光在进入不同介质表面时传播方向偏折的现象。由于不同波长的光折射率不同，偏折角度也不同，不同波长即不同颜色的光会发生偏离，这就是色散。三棱镜使光色散就是这个原理。
　　彩虹就是太阳光被小水滴色散后形成的美丽景象。相比于雨后的彩虹，火彩虹则罕见得多。它一般发生在太阳位于高角度位置，其光线穿过高海拔带有较多冰晶的卷云层形成的情况下。卷云层中的冰晶正如三棱镜一样，折射太阳光使不同颜色的光波分离开来形成绚丽的彩带。由于太阳光线射入空气中冰晶体的角度必须维持在某一特定值范围内，才会产生出这种特殊的彩虹效果，所以火彩虹非常罕见。
　　幻日
　　传说在古代有十个太阳，草木皆枯，人民苦不聊生。尧命令后羿射下九个太阳只保留一个，这便是后羿射日的神话故事。这是中国最早的幻日记载。幻日不是神话，也不是一种不祥之兆，而是一种自然界的光学现象。
　　
　　原来，当云层中存在许多六边形薄片状的小冰晶，并且这些小冰晶的排布跟地面大致平行的时候，阳光就会从薄片的侧面射入，经过两次折射后射出，跟原来的方向偏转了大约22度。于是，这样的折射就会在太阳的左右两侧各22度的地方，形成两个幻日。
　　这两个幻日实际上是太阳的虚像，只有中间的是真正的太阳。由于折射有色散的作用，幻日通常是七彩的。
　　发光的眼睛
　　很多夜行动物拥有一双在夜里会发光的眼睛，它们双眼射出一道幽光，令人不寒而栗。我们人类的忠实伴侣猫恰好就具备这种能力，不过不要担心，它们并非被魔鬼附身，也并非眼中有发光的细胞，而是其眼底有一层可以反光的膜状结构，叫作照膜。
　　照膜位于视网膜的后方，可以将透过视网膜的部分光线重新反射回视网膜上，让视网膜上的感光细胞二次接受光的刺激，从而提高了对光线的利用率，因此猫在黑暗中的视力比人好得多。
　　我们看到的猫眼发光其实就是照膜反射回来的光。虽然夜晚的光线很暗，但是猫的瞳孔很大，可以收集非常多的微弱光线并将其反射回来，因而我们就会看到黑暗的背景下闪闪发光的眼睛啦。
　　荧光海滩
　　初夏的夜晚，漫步在沙滩上，海风携着浪花，一遍遍地拍打着海岸。如果你不仔细看，可能都不会发现浪花之中闪动着光芒。当你踏着浪花驻足观看，就会发现脚下点点蓝光，宛如徜徉在星河里。
　　当然，这并非真的是天上的星星坠入凡间，而是海洋中一些能够发光的生物聚集在一起，造就了一个梦幻的荧光海滩。这些发光生物以甲藻类生物为主，这是一类非常原始的单细胞藻类，它们的发光细胞中含有荧光素、荧光素酶这两种发光物质。
　　荧光素在荧光素酶的催化下发生氧化还原反应，并伴随着电子的跃迁，发射出可见光。还有很多生物拥有发光的本领，如像一把伞的发光水母，通体荧光点点的萤乌贼，晶莹剔透的磷虾，它们在夜晚为大海点缀上非凡的色彩，堪比夜空里的星星。
　　五颜六色的肥皂泡沫
　　我们小时候都玩过吹泡泡的游戏，将一个环状铁丝或空笔杆蘸上肥皂水或洗衣粉水，就能吹出有着彩色花纹的气泡，这气泡与我们在晴朗天气洗衣服时看到的气泡是一样的。
　　气泡本是无色的，为何在太阳光下会显现出彩色呢？这其实是一种薄膜干涉现象。干涉是相同波长的光相遇时进行叠加的现象。波峰与波峰相叠加会使得干涉增强，波峰与波谷叠加则会干涉相消。太阳光其实包含各种颜色的光，在进入薄膜后在薄膜外表面和内表面反射的光形成干涉。由于重力的原因，气泡表面不同的地方厚度不一样，使得不同波长也即不同颜色的光在不同的地方干涉增强，相反其他波长的光由于干涉被削弱，因此气泡表面不同厚度的地方会反射出不同颜色的光，好似披上了一件华丽的外衣。
　　变色龙
　　大自然中有很多五颜六色的动物，有的还能随意改变自己的颜色，变色龙就是其中之一。变色龙拥有神奇的变色能力，通过改变体表的颜色完美地与外界环境融为一体，令人叹为观止。
　　变色龙之所以能够迅速地改变体色，通常的观点认为，变色龙通过色素细胞的舒张和收缩调和成不同的颜色。
　　然而，最新的研究表明，事实并非如此。各种生物所表现出的颜色可分为两大类：化学色和结构色。化学色是由生物体内的各种色素引起，诸如黑色素，血红素，叶绿素，胡萝卜素，等等，它是生物体内实实在在的颜色。结构色又称物理色，它们由特定波长的光线与某些纳米级的结构发生散射、干涉或衍射等作用产生。
　　变色龙能够变色正是因为它们真皮细胞表面的一层虹细胞，通过改变这一细胞层内部的鸟嘌呤纳米晶体的排列结构，变色龙就可以实现颜色的变化。当光入射到这些纳米晶体上时，不同波长的光在特定方向上干涉增强，其他波长的光由于干涉被削弱，变色龙因此显现出绚烂的体色。同样，变色龙通过改变虹细胞中的纳米晶体的排列结构，反射出不同波长即不同颜色的光，从而实现变色。
　　准确地说，变色龙应该叫变形龙，它对虹细胞内的纳米晶体结构的精确调控比起变形金刚来要厉害得多！同样因为结构显色的还有蝴蝶的翅膀。
　　雾凇
　　在我国北方的松花江岸边，每到冬天，你会看到“忽如一夜春风来，千树万树梨花开”的美景，这就是闻名的吉林雾凇。当雾凇出现的时候，漫漫长堤，原本绿叶落尽的树木华丽转身，银装素裹，把人们带入一个晶莹剔透的冰雪世界里。这其实是凝华的物理现象。凝华是气态物质遇冷转变为固态物质的物理过程。
　　冬天的松花江水和地面温差常在30℃左右，江水与空气之间产生了巨大的温差，松花江源源不断释放出的水蒸气遇到两岸冰冷的树木，便凝华形成白色松散的冰晶，这就是雾凇。
　　人类经过千万年的进化拥有了颜色知觉，因此我们眼中的世界并非真实的世界，而是经过大脑处理附加上了颜色信息的世界，听起来是不是非常的有趣。更加有趣的是色彩背后深刻的物理知识，掩藏在美丽的表象后等待发掘。这一切都在告诉我们，你所见到的并非一定理所当然，主观臆想并不可取，勤于思考和严谨的科学探究才是发现真理的唯一途径。