09月22日, 2014 167次
常常看到网友有这样的疑问：为什么有白天和黑夜？为什么我们看到的是一个多彩的世界？这是世界本来的样子吗？其中蕴含着什么科学道理。
我的回答是：这既是世界本来的样子，其中也蕴含着很多很多的科学道理。这些道理包括：地球自转、电磁辐射、可见光波长、光的吸收和反射等等，下面我们就一样一样来讨论。
首先说说白天和黑夜。简单的回答就是地球自转导致了白天和黑夜。
地球每天转一圈，这样太阳的光照也每天围绕着地球转一圈，被太阳照到的地方就是白天，不被太阳照到的地方就是黑夜。
但事实上，黑夜并不完全是黑的，有星光和月光，还有灯光。
白天有阴影，黑夜有光明。因此我们的世界并不是非黑即白黑白分明。
而且我们现在越来越难看到很黑很黑的夜晚了，甚至连天上的星星看到的都越来越少，不是因为有乌云遮挡，而是由于“光”太多。
这就是“光污染”。
什么是“光污染”？就是我们周围的环境光越来越多，不管是白天还是夜晚，都有各种光在影响着人们的视野，包括白亮污染、人工白昼污染和彩光污染。
这样人们再也难以看到漆黑的夜空，难以看到清晰的星空。
据说有人还要弄个人造月亮，时空通讯十分不以为然。这是多余的话，不在这里讨论。
幸好世界上还有一些犄角旮旯深山老林，还会有“伸手不见五指”的黑夜存在，当然，那一定是乌云笼罩没有星光和月光的深夜。
但这并不等于有“纯黑”。
纳米碳管黑体涂抹面具后的效果
理论上讲，在地球自然环境，不可能存在纯黑的地方。晚上，太阳虽然到了地球的另一面，光源不会直射到我们的眼中，而且乌云笼罩，没有人工光源，也就是伸手不见五指的夜晚，其实也不是纯黑。
地球上充满的大气，大气是有折射衍射反射功能的，太阳光照射到地球的另一面，会通过大气有些许的衍射折射反射过来，因此即便最漆黑的夜晚也还是有一点点亮光。
因为人眼有视觉极限，能不能看到漆黑夜晚那一点点亮光，则另当别论。
在我们的世界，不存在完全的黑体。
黑体是不会反射和透射任何电磁波的物质，就是理论上100%吸收电磁波，当然也包括可见光。这种把所有的光一点不剩的吞噬掉，而且不透露一点出来，当然就是纯黑的了。
可迄今为止，除了黑洞，人们并没有发现这样的物质。但黑洞是一种存在，已经不是“物质”。
将光源从普通黑色物质移到纳米碳管黑体时，反光消失。
前几年有一则报道，说英国 Surrey Nano Systems 公司的科学家们做出了世界上最黑的物质，英文名叫Vantablack，翻译过来就是纳米碳管黑体。
这种材质每平方厘米由约10亿个紧密排列成束状的碳纳米管组成，吸光能力可以达到99.65%，当时被誉为世界上最黑的物质。
但这个“最黑”去年被美国麻省理工学院的MIT团队所打破。他们在制作一种导电材料时无心插柳，制造出了吸光能力达到99.995%的材料。但这种材料与Vantablack几乎一样，也是由纳米碳管组成。
这些材料的吸光度虽然人类肉眼已经无法辨识，但还是有一丝光会反射出来，如前者反射率为0.035%，后者反射率为0.005%，比前者降低了7倍。
看到这，可能大家有了一种感觉，原来我们看到的任何东西都是由于光的原因。
是的，我们看到的一切都是因为有光。
人眼对光和物体有一个分辨极限。人眼是一个复杂的器官，视网膜内有约600万～800万个视锥细胞，1.25亿个视杆细胞，人就是靠这些来分辨和分解物体形象。
但人眼分辨物体是有极限的，主要是亮度和大小范围。
人眼感受亮度范围在10^-3~10^6cd/m²。
cd是指发光强度单位，称“坎德拉”。1cd表示1支烛光在一个立体角（半径为1米的单位圆球上，1平米的球冠所对应的球锥所代表的角度，其对应中截面的圆心角约65°）上产生的总发射光通量。
在夜晚或者暗室中，当亮度低于10^-2cd/m²时，人眼锥状细胞失去感光作用，但杆状细胞会取代视觉功能，人眼会失去感觉色彩的能力，只能看到微弱的白色和灰色。当亮度低于10^-3cd/m²时，人员感光能力丧失，也就是无法看到。
人眼在10~10000cd/m²时，是最舒适的亮度，在1000cd/m²时，识别度最高。
10^6cd/m²是人眼能够承受亮度的上限，长时间看这种亮度的物体视觉细胞会受到损害，甚至失明。
我们日常生活的一些物体亮度为(cd/m²）：太阳1.5x10^9，日光灯12000，月光1000，现代大屏幕电视约300。
人眼还有分辨视度。单眼舒适适度约60度，两眼重合视度约124°，但集中注意力时约为25°；
在明视情况下，正常视力最小分辨张角约0.57~1'（1角分），可以看清距离25厘米远0.073毫米的两个点。
也就是说太小太远的物体，在人眼中无法成像，因此就看不到。
人类能够看到物体，需要有光这个前提，在适合的亮度下和视度下才能够在视网膜成像，否则就无法看到物体。
那么，光是一种怎样的存在呢？光，从某种意义上来说就是电磁波。电磁波与我们的生活息息相关，每天不管你愿意不愿意，都在与电磁波打交道，没有一个人能够置身事外。
我们看到的每一缕光都是电磁波，我们看不到的手机信号、电视信号、各种电器的使用，还有看不见的各种射线，都是电磁波。可以说每个人都置身在电磁波的海洋中。
电磁波的本质就是“光”，由可见光和不可见光组成，可见光就是我们能看到的光，只在电磁波谱里面占有极小的一个频段。
电磁波波长从长到短，分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。
这里面除了可见光，其余都是不可见光。
但这些不可见光只是针对人类人类而言，有的动物可以看到红外线和紫外线，比如蜜蜂、蛇类、甲壳虫等，都能够感受到红外线或者紫外线。
因此这些对人类来说的不可见光，对它们就是可见光。
充斥我们世界的可见光，由两大类组成。一部分是光源，就是本身能够发出光的物体，如太阳、灯光、火光等等；
另一种就是本身不发光，会反射光的物质，如行星、月球、山水树木、房屋道路、人猪狗牛等等，都是本身不发光的东西，有光源照射到这些物体身上，才会有光反射而被人类视网膜所捕捉。
这里，光源占有当然的主导地位，没有光源，就没有反射光，就是一个黑暗的世界。
人眼就是通过看到光源或者反射光源的光感受到物体存在的。
可见光是复合光，不同波段显示不同的颜色。太阳光看起来是白晃晃的，无色透明，其实阳光是复合光，是由多种颜色的光组成的。
这些颜色组合在一起，我们看到的才是白光（无色光）。
阳光穿过三棱镜，会散射出七种基本颜色：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。
这七种颜色的波长都不同，人眼对不同波长的光，能够感受到不同的颜色。
可见光的在电磁波谱里只占据很小的一段，波段约在380~760nm之间。
人眼看到620~760nm波长范围的光，感受就是红色；在590~620nm波长范围感受就是橙色；在570~590nm波长范围感受就是黄色；在490~570nm波长范围感受就是绿色；在480~490nm波长范围感受就是青色；在450~480nm波长范围感受就是蓝色；在380~450nm波长范围感受就是紫色。
这些波长范围只是大约，因此各种资料介绍并不完全统一。波长稍微长点短点颜色就是偏一点而已，因为颜色本身就是一种感受，没有纯正指标。
这些颜色的不同比例组合就形成了无数种颜色，从理论上来说，人眼对自然界的感受存在着无数种颜色。
但在计算机里面，通过红绿蓝等三基色调和，用1个byte来表示一个颜色分量，划分出0~256范围，可以组成256x256x256=16777216种颜色。
所以，我们看到一个花花绿绿七彩缤纷的世界，并不是这个世界本身有这些颜色存在，而是人眼对光的感受和物体对光的吸收不同呈现出来的综合现象。
各种物体都会吸收一定波长的光，反射出来的光组成了世界颜色。前面说了，自然界迄今并没有发现对光完全吸收和不透射的黑体，但任何物体都对不同波段的光有不同的吸收率和反射率。
而我们人眼对物体已经吸收了的光就看不见，对反射出来的光就感受到了。
这些被物体吸收了复合光中一部分不同波长的光，反射出来各种波长的光集合在一起，人眼就能感受到各种各样的颜色。
人眼视网膜的感光细胞集中在正对瞳孔的黄斑区，是人类的明视器官，可以敏感的辨别光的强弱、颜色和细节。
当光以全波段呈现给人们时，我们看到的就是俗称“白光”的无色光。我们看到的白色物体，就是因为这种物体基本没有吸收光，或者说把接受到的光线全部反射出来了。
而黑色就是把光基本都吸收了，放出了多少，我们就能够看到一点点反光；树叶是因为吸收了阳光中其他波长的光，合成了叶绿素，不吸收绿光。
不同物体对不同波段的光吸收度不一样，同一个物体不同角度对光的吸收度也不一样，反射出来的光波也就不一样，我们人眼看到各种不同比例光波柔和在一起的光，就形成了无数颜色组成的世界。
如果这个世界没有光，人类没有具有感光细胞的眼睛，我们就无法看到一个光明和彩色的世界。
这就是我们世界黑白与色彩的由来以及其中蕴含的科学道理。
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