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人眼对什么颜色的光最敏感？科学研究表明，是绿色（可见光谱中段）。这是为什么呢？大凡这类问题，包括两部分的为什么。A 部分的问题是，是什么样的生理基础导致了这样的结果？B 部分问题是，漫长的生物进化自然选择过程为什么选择了这样的生理基础？

有关人眼为什么对绿色最敏感，A 部分简单的说就是因为人眼感光细胞的光化学性质决定了人眼对绿光最容易有反应（Ref 1 2）。有关 B 部分的为什么呢，人们注意到太阳光在经过大气层选择性吸收后到达地面时是绿色光最强，所以比较流行的假说是：对绿光越敏感的生物也就越容易利用日光寻找食物躲避天敌，能够成功繁衍后代的几率也就越高，因此经过长期的进化，最高等的生物也就自然是对绿光最敏感的了。

这套理论里面，这个对绿光敏感的生理基础，必须是由基因控制的特征，这样才能通过 DNA 的完美复制机制传承下来。这样的基因，通常叫做有进化优势的基因，因为携带有这种基因的生物比较不容易在繁衍后代之前死掉，换句话说，这种基因容易在进化过程中被保留下来。

通常来说，A 部分的为什么是比较容易通过各类生理学研究获得解答的；而 B 部分则基本只能有假说，如果运气好，也有可能找到进化过程的化石证据，不过假说终究还是假说。实际上，很多时候 B 部分根本不需要解释，人的历史并不够长，生理学的特征并不一定是自然选择适者生存选择出来的，也可能纯粹是个巧合。地球生物进化史的统计样本远不够大，并不是每一种基因组合都已经出现过。人体不合理的设计太多了，进化时间太短还远没有被选择掉，智齿有啥用？盲肠有啥用？土摩托的《你以为你真的懂进化论》系列对这个有一些解释。

尽管如此，很多人体结构生理学的文章出来，还是喜欢往上面套一个进化论假说。有一个现象，同宿舍女生的生理周期会逐渐趋向同步，这个问题是有人研究过的，学名叫 McClintock effect，似乎也有生理学证据支持，姑且算是把 A 部分回答了。于是就有人开始琢磨 B 部分的为什么，有一种假说是，早期人类群居，男人们结队外出打猎往往几个星期不回，这种情况下他们一起回来能让越多的女人怀孕（这需要群居女人们生理周期基本同步），那么这个种族繁衍下去的几率也就越大，因此生理周期互相影响是有进化优势的。再来看一个问题，男人为啥喜欢丰乳肥臀呢？因为这俩特征都对繁衍后代有利，所以是有进化优势的。那么，这个事情的生理学基础呢？也确实有人研究过，比如这篇论文。同一期杂志还有文章从生理和进化角度研究女人喜欢什么样的男人的问题。

进化论好可怕……

问题一，为啥红色和蓝色调出来是紫色的。真正的单色纯紫光事实上比蓝光波长更短，用红绿蓝三原色系统是调不出这种纯紫光的，色彩学上这种紫色叫做光谱紫色（波长 420 纳米左右），英文名是 violet。而红蓝色调出来的紫色是混合紫色，不对应任何一种单色光色彩，这种混合紫色的英文名是 purple。为什么 violet 和 purple 看起来差不多呢？因为他们对三种视锥细胞的刺激类似，也正是因为这个原因，在计算机上可以用 purple 来模拟 violet。在日常生活中，一般 violet 和 purple 是可以混用的。从原理上说，区分 purple 和 violet 的简单方法是把他们加亮，violet 加亮会慢慢呈现蓝色，而 purple 不会有这种感觉。

问题二，天空为啥是蓝色的。这个问题简直被问烂了。主要有三个机制在起作用：瑞利散射和频率四次方成正比，导致高空阳光散射到地面的短波长强度要大很多；高空大气层吸收了紫外光和偏紫的可见光，导致到达地面的时候蓝色光波最强；最后是人眼三种视锥细胞的机制导致这种高空阳光散射频谱看起来恰好是极蓝的色彩。值得注意的是，单一个瑞利散射是无法解释天空为什么不是紫色的。

Ref: 1, 2.

一般人都知道各类颜色可以由三原色调出来，最常用的三原色是红绿蓝（RGB）。不过这个颜色的问题深究一下，貌似还是一个蛮复杂的问题……用最简单的话说，环境光线在物体表面反射到人眼睛里面，刺激视网膜产生神经电信号传送到大脑，大脑就有了颜色的感觉。

光有一个最基本的特性就是波长，不同波长的单色光颜色是不一样的：

可以看到，可见的光波长大概是 400 纳米到 700 纳米。环境光在物体表面反射，加上物体自己辐射的光，进入人眼睛就会刺激视网膜上的视锥细胞。视锥细胞有三种类型，对波长的感应不一样：

三种视锥细胞最敏感的光波长分别是：S 细胞 424 纳米，M 细胞 530 纳米，L 细胞 560 纳米（这三个波长上的光其实并不是红绿蓝，所以比方把 L 细胞叫做红视锥细胞不是很准确。 ）。物体反射光的频谱刺激三种视锥细胞产生三个不同的响应，然后后面就会有一连串的生理电反应直到刺激大脑视觉系统（这个具体的过程现在还没有最终定论）。可以想象，不同的频谱可能会产生相同的视锥细胞响应，比如将单色的红绿蓝三种光用适当比例混合产生的白光，和太阳白光看起来没什么区别，但频谱却完全不同（Metamerism 现象）。用集合论的话说，真正的物体颜色（用反射频谱表示）到人眼感觉颜色的映射是多对一的映射。也正是由于这个原因，照相机才可以用三原色模拟视锥细胞感应来过滤光线采集 RGB 三个颜色通道，而显示器也只要用 RGB 三个色彩来还原照片即可，完全不需要模拟物体反射的复杂频谱。

在实际中，摄影会受到光照的影响，因为物体反射的光频谱实际上就是物体反射率（一个波长的函数） 乘以环境光频谱。幸运的是，很多情况下，环境光和闪光灯频谱基本上是纯白，也即各个波长上的光强度差不多，所以物体反射的光频谱基本只由物体本身的反射率函数决定。一般环境光的特性用色温来表示，表示这个环境光的频谱最接近什么温度的黑体辐射。对于热发光的物体，这个色温基本就是发光体的温度。比如太阳表面 5500 K，正午太阳白光的色温也差不多是这个温度。蜡烛火温度稍低，只有 2000 K 左右，于是光也偏红一些。对于非热发光的物体（比如日光灯是荧光发光，完全不同的发光机理），就需要看它大概和什么温度下的黑体辐射频谱对人眼产生一样的刺激来决定色温。不同色温的光线其表现颜色也不同：

低色温的光主要能量都在红外（长波长），光看起来偏红；很高色温的光主要能量移向紫外（短波长），光就看起来偏蓝；中间温度就是白光，也即所有可见光波段的能量都差不多多。比较有趣的是一般蓝色被认为是冷色调，而高色温的光源却是偏蓝的。这个的解释是日常生活中的光不会到一万 K 的色温，人们一般认为东西变红就是热，于是只有红黄等色才可能是暖色调；而湖水啊冰啊什么的都会呈现绿色蓝色，于是这些就被认为是冷色调，实际上这个蓝色出现的机理并不一样。

到此为止，没有任何问题。照相机只要模拟人的视锥细胞感应，就可以真实的反映视网膜上的电信号。可是要命的是视觉系统有一个主观的成分在里面，比如一个红苹果，在阳光下是红的，到了篝火旁边，人们当然认为它也是红的，但是拿科学仪器一测就知道，这两种情况下苹果反射的频谱是不一样的，原因是环境光频谱不一样。如果照相机在两种情况下拍照都不加以调整，拍出来的照片就不真实了，这个不真实不是因为照相机没照对频谱，而是因为人在不同环境光下会主观的对视锥细胞的感应作修整，这个现象叫做 Color constancy。很有趣的是，尽管这是一个主观的过程，但不同的人做的修正几乎都是一样的，因此，照相机也可以对 RGB 三个通道的强度来做修正以模拟人脑，一般这个过程叫做调节白平衡。

另外一些有趣的问题：

鸟类有四种视锥细胞，多出来的一种对紫外光比较敏感，科学家们发现雄性鸟类的羽毛在紫外段的反射很强也很多变，于是推测这种特殊的视觉在求偶方面有特殊的作用。

人类视锥细胞的基因是在 X 染色体上的，由于男性只有一条 X 染色体，所以色盲的比例要比女性高很多，比如红绿色盲就是因为 L 和 M 两种视锥细胞少了一种，因为 S 视锥细胞在分辨红绿上几乎没有作用。

有研究声称某些人携带了四种视锥细胞的基因，也就是说有四色视觉系统（Tetrachromacy），有研究甚至号称有一半女性都有这种基因，只不过很多人不知道如何使用这种能力。这个研究貌似没有定论，不过以前有笑话说某人帮老婆买布，买回来老婆说不是这种红，是那种红，结果某人看了两种红觉得完全没区别，现在看到四色视觉系统的研究，觉得女人对颜色更敏感这件事貌似是有生理依据的。

人视网膜上除了视锥细胞还有一种视杆细胞也会感光，但只在光比较弱视锥细胞不能工作的时候才开始工作。视杆细胞只有一种，所以夜晚灯光不足的时候人不能分辨颜色，只能看到黑白的世界。

在特殊的场合，RGB 照片模拟物体颜色会丢失掉有用的信息，这种情况下比较好的办法就是把反射频谱直接测下来。医学上有时候对病变组织颜色的采样就需要这样做。

两个物体在太阳光下看起来颜色一样，到了日光灯下面就未必颜色一样，这是因为他们有不同的反射率函数。在太阳光下，它们的反射光刚好对三种视锥细胞产生比例相同的刺激；而当环境光频谱变化的时候，他们反射出来的频谱就变化了，人就会看到不同的颜色。在工业上，有时候需要两种不同的材料在各类光照条件下匹配色彩，这就需要尽量匹配它们的反射率函数，一般这样的颜色匹配叫做频谱色彩匹配。

色彩学涉及物理学、生理学、心理学、脑科学、计算机科学等，网上有很多介绍文章，我就不写了。可以在 wikipedia 查询下列关键字：color, color temperature, color vision, color theory, metamerism, tetrachromacy, white balance, gamma correction。

鸟类视觉系统：Papers on avian vision，这里也讲到进化演化过程，为什么鸟类比人类多一种视锥细胞。

一个讲解数字摄影基本原理的网站：Digital Photography Tutorial，文字清晰，说理到位，图片丰富。