各種色光都是由三原色光合成的嗎

楊大衛

（河北師范大學 050024）

《國家中小學智慧教育平臺》(https://www.zxx.edu.cn/)播放的〖課程教學〗初中八年級物理(人教版上冊)第四章第五節“光的色散”中授課教師在課堂總結時說：“各種不同顏色的光都是由三原色(紅、綠、藍)光按一定比例混合而成的?！?這節課視頻總時長為24 分52 秒，該句出現自23 分43 秒至23 分53秒。)

這種說法源于初中物理課本的敘述：“紅、綠、藍三種色光按不同比例混合后，可以產生各種顏色的光?！?見圖1 上述平臺的〖教材〗物理人教版八年級上冊)

圖1

圖2 人眼縱截面的水平光路圖

圖3 視網膜的結構以及視網膜中的桿狀細胞和錐狀細胞

這句話應糾正為：“紅、綠、藍三種色光按不同比例混合后，可以產生各種色光的視覺效果?！?/p>

為了說明這一糾正，我們可以通過實驗驗證和視覺生理分析兩方面進行。

不過為了使教材編輯更易于接受這一糾正，我們可以先將“光與視覺”跟同一教材中的“聲與聽覺”相對比，做些鋪墊。

聲可以傳遞信息和能量，光也能傳遞信息和能量。人教版初中課本的第二章強調“聲既可以傳遞信息又可以傳遞能量”，還介紹了聽覺器官的構造與工作原理，可在第四章卻不談光也能傳遞信息和能量，不講視覺器官的工作原理。這不僅彼此不相呼應，而且不符合新課程標準對信息和能量的學習要求。

初中生知道，人接收可聞波靠聽覺器官，接收可見光則靠視覺器官。聲既有響度強弱的區別，又有音調高低的差異，響度決定于振幅，音調決定于頻率。

類似地，可見光也是既有亮度明暗的區別，又有顏色艷素的差異，亮度亦決定于振幅，顏色亦決定于頻率(表1)。

表1

我們的聽覺既可以識別可聞波響度的強弱，也可以識別可聞波的音調的高低。類似地，我們的視覺既可以覺察可見光亮度的明暗區別，也可以分辨可見光顏色艷素的區別。

在對視覺、聽覺類比的基礎上，我們再進行實驗，找出二者器官功能的不同。

[實驗一] 由兩支固有頻率不同的音叉混響的聽覺效果，不會與任何一支具有其他固有頻率的音叉單獨奏響的聽覺效果相同。

結論：聲波符合波傳播的獨立性原理。

[實驗二] 由紅光與綠光混合照射得到的視覺效果，可以與單色黃光照射的視覺效果相同，看起來似乎是紅光與綠光復合后形成了“黃光”。難道光波不符合波傳播的獨立性原理？

[實驗三] 由紅光與綠光混合照射所形成的所謂“復合光”仍可被三棱鏡分解還原為紅光和綠光，其中根本找不到一絲一毫黃光；而單色的黃光無論如何也不會被分解為紅光和綠光。

結論：光波亦符合波傳播的獨立性原理。

實驗證明了無論是人教版初中物理教材所寫“紅、綠、藍三種色光按不同比例混合后，可以產生各種顏色的光”，還是上述視頻課中所說的“各種不同顏色的光都是這三種色光按一定比例混合而成的”，這兩種說法都是錯誤的。

那么，問題出在何處呢？明明看到紅光與綠光混合后產生了“黃光”，難道眼見不為實嗎？是的，眼見不一定為實！問題就出在視覺上。由紅光與綠光混合照射后產生的視覺效果是生理效應，而不是真正的物理效應。

讓我們了解一下視覺器官的生理結構及其工作原理。

視覺器官感受亮度的功能叫做視覺器官的光感，辨別顏色的功能叫做視覺器官的色覺。光感與色覺是由視覺器官中兩套相互獨立的系統來執行的，色盲癥患者雖色覺不全但光感仍可以正常，就說明了這一點。而聽覺器官感受聲強與辨別音調的是同一個系統。

光感功能由暗視系統完成，以視網膜中的桿狀視神經細胞為接收器(對505～510 nm的光最敏感)，在低照度情況，只有桿狀細胞才能被可見光輻射所觸發，產生對照度明暗的視覺；在強光下，桿狀細胞的靈敏度會大為降低，故它主要在弱光下工作。

而色覺功能由明視系統完成，以視網膜中的錐狀視神經細胞為接收器(綜合響應對550～555 nm的光最敏感)，主要在較強光下工作。錐狀細胞又含L、M、S三種，分別對波長為664、534和420 nm的光最敏感(大約對應紅色、綠色和藍紫色，圖4)。

圖4 三種錐狀細胞各自的響應以及綜合響應

這三種響應并不是恰好分別覆蓋對紅色(625～740 nm)、綠色(500～565 nm)和藍色(440～485 nm)的響應，而是可以分別對三原色(紅、綠、藍)光各自產生不同強度的響應。如果L 細胞受到的刺激略大于M 細胞，人的感覺是黃色；如果L 細胞受到的刺激大大高于M細胞，人的感覺是紅色。將三原色光以不同的比例復合后，人的眼睛對復合光可以形成與該比例對應的某單一頻率的可見光等效的色覺。例如，紅光與綠光按某種比例復合，對三種錐狀細胞刺激后產生的綜合色覺可與視網膜對單純的黃光的色覺等效。

所以，紅光與綠光混合后并不能生成另一種頻率的新光——黃光，二者的混合光波中的紅光和綠光仍然各自存在，只是其色覺與黃光相同。即由紅、綠混合光對錐狀視覺細胞的刺激反映到大腦，跟黃光對錐狀細胞的刺激反映到大腦后的效果相同。

所以，把紅、綠、藍三種色光按不同比例混合后，并不能產生各種顏色的光，只是產生了與某種色光相應的視覺效果?！币簿褪钦f，所謂色光的“合成”并不是物理效應，它只是光頻的生理效應。

更進一步，揭其本質，聽覺之所以不能起到類似的效果(兩支不同頻率的音叉混響的聽覺效果，不會與某支其他頻率的音叉獨響的聽覺效果相同)，不僅是由于聽覺的傳感器與視覺的傳感器的構造不同，而是由于二者工作原理的不同，后者是復雜的光化學原理，而前者僅是簡單的機械原理。所以，不會像“三原色”似的有“三原聲”。

那么所謂的光化學原理又是什么呢？

對明暗(黑白)感受具有較高靈敏度的桿狀細胞，光先通過神經結合處的外層，再到達這些感受器中的色素物質。在桿狀細胞中有一種叫做視紫質(rhodopsin)的色素(其顏色看起來是紫色的)，該色素是一種分子量約為40000 amu 的復雜蛋白質，其吸收曲線如圖5所示。該分子在柱狀細胞內分層排列，大約20 nm 厚500 nm 寬，重量可達該細胞凈重的35%。在光輻射的影響下，其中一小片會脫離，這一小片載色體(chromophore)，是一種維生素A 的衍生物，被稱作視黃醛(retinaldehyde)，其分子量為286 amu。其雙鍵中的一條會在1皮秒(10-12s)內吸收光子從折拐構型變為貫穿構型(圖6)。

圖5 桿狀細胞的響應曲線

圖6 通過吸收一個波長約500 nm的光子，桿狀視覺細胞中視黃醛的分子構型變化

剩下的部分是一種叫做視蛋白(opsin)的無色蛋白質。在視紫質(rhodopsin)分子分裂過程中的某個階段會產生瞬間的視覺刺激。這種反應引起感受細胞膜對鈉離子滲透性能的改變，進而導致細胞電勢的改變。這一電勢變化通過神經細胞傳播到大腦。此后，視紫質分子會緩慢地再生。

錐狀細胞的響應大概也有類似的機制。在錐狀細胞發現了一種叫作視青質(iodopsin)的色素，這種色素所含的視黃醛基(retinaldehyde group)有三種，各自具有不同的分光靈敏度特性(圖4)，作為比較，錐狀細胞的綜合靈敏度曲線也一并畫出。

在強光下，桿狀細胞中的許多視紫質分裂為視蛋白和視黃醛，因而其靈敏度大為降低。盡管錐狀細胞的靈敏度僅為桿狀細胞最高靈敏度的1%左右，可色視覺還主要是由錐狀細胞提供的。三種錐狀細胞的聯合作用才產生了對顏色的視覺。在低照度情況，只有桿狀細胞才能被可見光所觸發，產生對(黑白)明暗的視覺。桿狀細胞和錐狀細胞的綜合靈敏度曲線是不同的(圖5和圖4)，前者的峰值大約為505 nm至510 nm，而后者為550 nm至555 nm。

當然，上述的光化學反應所產生的電信號都要通過視神經傳遞給大腦。

綜上所述，通過波傳播的獨立性原理實驗、視覺器官的生理機制及其光化學本質，說明了各種色光實際上并不是由三原色光合成的，視覺效果不能代表物理本質。