如果你上过高中物理课，那么你一定听过这样的话：我们看到的光是一种电磁辐射。而且电磁辐射的波长范围是比较广的，比如包含的无线电波、微波、红外线、可见光、X射线和伽马射线等。
然而，人类眼睛能够看到的光波仅限于这个光谱中很小的一部分，波长大约在380纳米到740纳米之间。
那么问题来了，既然电磁波的频率和波长变化范围如此之广，我们为什么只能看到这特定的波长，而无法感知其他类型的辐射呢？
凭什么？我们接着看。
可见光谱只占有宽广的电磁波谱的一小部分
01 太阳辐射与光的选择
要理解为什么我们能看到这部分光，首先要从我们的太阳说起。
太阳是我们星球的主要能量来源，它通过一种被称为“普朗克黑体辐射”的方式发出光和热。
普朗克定律描述的黑体辐射在不同温度下的频谱
简单来说，太阳的表面温度（大约5778K，约等于6100摄氏度）决定了它辐射的能量波长。
而在这些波长中，有一部分正好处于可见光的范围。
但是，这并不是全貌。
地球的大气层在一定程度上会吸收其他波段的电磁辐射，尤其是紫外线和红外线。
如此一来，到达地表的大部分辐射刚好落在可见光波段。
因此，从进化的角度来看，我们的视觉器官自然会“选择”去感知这些最常见的波长，这就是达尔文进化论的体现：我们进化出了适应环境的视觉系统。
02 可见光与人类感官的关联
有趣的是，我们看到的光不仅仅是因为它最常见。
事实上，可见光波长的能量与物质之间的相互作用非常密切。
在光学波长范围内，光子（即光的量子单位）的能量大约在1.5至2.5电子伏之间，这正好与化学键能量相似。
这意味着，当光子照射到物质上时，它能够激发电子跃迁或化学反应，从而让我们能够感知到颜色变化。
例如，蓝光和红光的能量差异较大，蓝光的频率更高，波长更短，能量也更高。这就是为什么蓝光比红光对电子的激发作用更强烈。
正因为如此，我们的视觉感受器——视锥细胞，能够捕捉到不同波长的光，并将其转换为不同的颜色感知。
值得一提的是：
视杆细胞和视锥细胞的功能部分，它们是视网膜中三种感光细胞中的两种
大多数人的眼睛有三种感光器，分别对红、绿、蓝光敏感，所以我们能够看到丰富多彩的世界，这类人被称为“三色人”。
然而，有些人由于缺少红色感光器或绿色感光器，无法区分红色和绿色，被称为“二色人”。
那么，三色人相对于二色人是否在生存和繁衍上有优势呢？
有一种流行但未必严谨的说法是这样的：几百万年前，我们的祖先是生活在非洲的灵长类动物，主要以采摘水果为生。
当时某些树上结出淡红色的果实，因此那些能够看到红色的祖先更容易发现这些果实，这使得他们在生存和繁衍上具有优势。
于是，三色视觉逐渐成为主流，而二色视觉则被淘汰。
这个解释看似合理，但仔细想来有些不足。
首先，识别水果并不一定完全依赖于红色感光器，许多动物即便缺乏红色视觉，依然能够顺利觅食和生存。
其次，许多哺乳动物都是二色动物，比如海豚和鲸鱼，它们的世界几乎是黑白的，但它们依然生活得很好，并没有因此遭到自然的淘汰。
事实上，大多数哺乳动物确实都是二色动物，而某些鸟类、鱼类、昆虫和爬行动物则拥有四色视觉，甚至能够看到紫外线。
比如，在2016年，一位英国研究者还发现了一名“四色人”，这位女医生的眼睛拥有四种感光器，能够看到比普通三色人更多、更丰富的色彩。
那么，为什么三色人占据了主流，而二色人和四色人却相对较少呢？这可能更多地与偶然因素有关，而非纯粹的生存优势。
当然，这是一个生物进化问题，我们后面生物篇再谈。
03 为什么我们认为太阳光是“黄色”的？
如果从物理学的角度来看，太阳光的峰值波长其实是接近蓝绿色的，大约为500纳米。
然而，大多数人认为太阳光是“黄色”的。
这个现象反映了人类视觉的独特性。我们的眼睛有三种主要的视锥细胞，分别对蓝色、绿色和红色最为敏感，而人类大脑会将来自这些细胞的信号综合起来，形成对光的颜色感知。
在这种情况下，尽管太阳光的实际峰值波长接近蓝绿色，但由于它包含了各种不同波长的光，特别是黄色和红色的成分较多，人类大脑综合处理后会将其感知为“温暖”的黄色。
这也是为什么我们在晴朗的日子里，抬头看天会看到一个黄色的太阳，而不是蓝绿色的光球。
04 光学波长的特殊性
除了与我们周围物质的相互作用之外，光的波长也决定了它的传播特性。
光在物质中传播时，会发生折射、反射和散射等现象，而这些现象也受到光的波长影响。
例如，短波长的蓝光比长波长的红光更容易被大气散射。
这就是为什么天空在白天看起来是蓝色的，而在日出和日落时，太阳接近地平线时，光线穿过大气层的距离更长，蓝光被散射得更多，剩下的红光使得天空呈现出红橙色。
此外，光的波长范围决定了光学成像的可能性。我们的眼睛能够感知到精确的图像，正是因为可见光波长足够短，使得光在通过眼球时能够形成清晰的像。如果光的波长过长，例如无线电波或微波，成像将变得模糊不清。
05 视觉的奇妙之处
视觉对我们来说是一种非常强大的感官，能够传达大量关于周围环境的信息。正如我们常说的“眼见为实”，视觉赋予了我们一种近乎“绝对真实”的感知。然而，从物理学的角度来看，视觉其实是一种遥感现象。
我们并不是直接“看到”物体本身，而是通过接收到从物体表面反射或发出的光来间接感知它们。
这种感知不仅依赖于外部光源，还依赖于我们的眼睛和大脑。眼睛通过复杂的光感受器结构，将不同波长的光信号转换为电信号，并传递到大脑中枢进行处理。因此，视觉是物理、生理和心理共同作用的结果。
如果我们把视角放大到整个宇宙，或许可以推测，任何有生命的星球上，若进化出视觉系统，那么它们看到的波长可能也与我们大致相同。
这不仅是因为光在电磁波谱中的独特地位，还因为生命体的化学组成与物理规律都可能对视觉的进化产生类似的影响。光的能量范围决定了它与物质的相互作用，而这种相互作用又影响了视觉系统的演化方向。
总结
当我们凝视着湛蓝的天空，或是感叹夕阳的美丽，可能很少有人会意识到，我们看到的这一切其实都是源于复杂的物理与生物相互作用。
正如著名物理学家理查德·费曼在他的科普著作《光与物质的奇异理论》中所述，光与物质之间的相互作用可以被理解为一种循环的吸收与再发射。
虽然这是一个看似抽象的概念，但它深刻地揭示了我们所看到的世界，其实是由许多复杂的物理过程共同构成的。
