人类能看见彩虹,并不是一个巧合

作者: 王木头

来源: 把科学带回家

发布日期: 2017-08-17

本文探讨了彩虹现象的科学解释,以及人类视觉对特定波长电磁波的敏感性,解释了为什么可见光范围的电磁波在生物进化中被选择,以及可见光在传播中的优势。

人类能看见彩虹,并不是一个巧合。麦克斯韦的出现让牛顿为代表的粒子学说彻底失败了,同时也给牛顿最有名的光学发现赋予了新的解释。用一道白色的阳光照射到一个三棱镜上,白色的阳光通过后会散开成彩虹的颜色,红橙黄绿青蓝紫依次排开。牛顿很早就发现了这个现象,但是包括牛顿自己,一直没有人对这个现象做出一个合理的解释。为什么颜色会分散开来,有为什么会按照红橙黄绿青蓝紫的顺序排列?

现在了有了麦克斯韦,我们知道了光只是一种电磁波,那么不同颜色的光线就是不同的电磁波。它们的差别只是波长不同。所有的波,都是一个循环震荡的过程,对于波来说有一个重要信息。那就是相邻两个波峰之间的距离,也就是波长。红光的波长有六七百纳米长,紫光的波长有四五百纳米长。彩虹的颜色,从红色到橙色、黄色,最后到紫色波长是逐渐减小的。

三棱镜之所以会让白光分散成为彩虹,就是因为不同波长的光,它们在玻璃中的折射角度是不同的,所以红光弯的小一点,紫光弯的大一点。而白光呢并不是一种独立的颜色,而是包含了所有颜色的光线。所以只要发现了白色,那么它里面一定包含了彩虹的所有颜色。

赫歇尔晚上观察星星,白天也不会闲着,而是会去做实验。有段时间他就想搞明白一件事情。首先,我们是知道的,光线和温度是有关系的。

我们站在太阳光下,总是可以感觉到暖洋洋的,甚至到了夏天还会觉得很热。而现在我们知道了太阳光里面是有很多颜色的,那到底哪一种颜色的光会带来更多的热量呢?是红色还是紫色,或者是绿色黄色之类的其他颜色?赫歇尔就像搞明白这件事情。于是,他就准备了一排的温度计,分别放在了已经通过三棱镜散开的彩色光线之下,每种颜色下面都有一个温度计对应。除此之外,他还多准备了一个温度计放在了红光的外面,是没有光照在上面的。

本来这个温度计只是用作对照用的,并没有期待他有什么变化。因为这里没有光照射,所以这个温度计的温度应该是不会受到影响,随后只要把其他温度计的数值和这个一减,就知道分别增加了多少。结果让他没有想到是,正是因为这个不做期待的温度计,做出来伟大的发现。

到现在,我们知道了,我们平时说的光线真的是很普通的一类电磁波,只不过是波长在450-750纳米之间。

我们之所觉得他们很特别,只是因为我们人类眼睛的特点只能识别这个范围内的电磁波。所以,我们也把波长处于这一段范围电磁波叫做可见光。其实也有一些其他动物,它们的可以看见的光的范围要比我们人类更广的,不过相差不会太远。就比如说蜜蜂能看见紫外线。我们看起来是白色的花朵,在它们看来上面是有紫外线花纹的。可是,为什么必须是这一段的电磁波是可见光呢,就不能是其他范围的电磁波吗?还是说这只是一个巧合。

如果生物再进化一次的话,会不会选择的就不是这一段范围,而是另一段范围了呢?这种情况并不太可能发生,因为可见光还真的是有些特殊的地方,就是它们在空气中和水中衰减的比较慢。同样强度的电磁波,如果波长在可见光范围之内,那么在空气中和水中衰减的就慢,于是就可以传播更远。

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