色彩是大自然对人类的微笑。

FrankWilczek，——年诺贝尔物理学奖获得者

撰文|林凤生（上海大学教授）

01色彩与色觉

"红、橙、黄、绿、蓝、紫，谁在与色彩训练共舞？雨后，太阳又落山了，山是蓝色的。"这是《菩萨蛮大柏地》的一句话。夏天的午后，雨过天晴，空气中满是雨珠，在夕阳下反射出美丽的彩虹。

物理理论：光是电磁波，每种颜色的光都有一定的波长，从红色到紫色的可见光对应的波长是390-760 nm。当由七种颜色的光组成的太阳光照射到悬浮在天空的雨滴上时，经过多次入射和反射，然后从雨滴上折射开，因为各种颜色的光在水面上的折射率不同，就形成了五彩缤纷的彩虹。折射的光进入观察者的眼睛，人们看到了彩虹。

请注意，观察者看到的红、橙、黄、绿、蓝、紫是一种主观体验，叫做色觉。它和光学中的色光(一定频率的电磁波)不一样。色觉是人的一种主观体验，所以世界上的颜色在每个人眼里和心里都是不一样的。

02色觉的三要素

为了准确描述人对颜色的感受，生理学-心理学提出了色相、饱和度、明度三个概念。色调就是颜色，来自太阳光的红、橙、红、绿、青、蓝、紫称为光谱色，也有不在光谱中的颜色，如紫红、品红、苯胺紫、棕褐色、橄榄绿等。

饱和度也是颜色的深浅。在红色中加入一些白色会变成低饱和度的粉红色。亮度是物理学中容易与光的强度混淆的概念。在物理学中，光的强度取决于单位时间内发出的光量子数量，但视觉感知到的颜色亮度却大相径庭。

例如，强度完全相同的黄光和蓝光在人眼看来更亮，而蓝光则暗得多。原因很简单，因为人的视网膜对550纳米的黄绿色光最敏感，所以感觉最亮。这也是人类视觉进化万亿年的结果！因为在地球表面，这个区域波长的光强度最大。(之前用的白炽灯在这个区域发光。近年来，新兴的LED灯和其他光源通常发出波长为450纳米的蓝光。虽然它们节省了能量，但是对视网膜的伤害也不容小觑。)而人类的眼球就是由此进化而来的，前面的黄色镜片，不仅仅是一个可以调节焦距的镜片，还起到了滤色片的作用。

图1:莫奈《日本桥》

它打开了黄绿色光通过的大门，一定程度上吸收和阻碍了蓝色和紫色光，完全阻隔了波长范围为400 nm的远紫色部分。年长的画家很少在画中使用蓝色或紫色。这是因为随着年龄的增长，眼睛晶状体的黄色越深，就越看不见一般的蓝色和紫色。图1是莫奈大师82岁时的画作《日本桥》。他患有白内障，并且由于晶状体的黄色沉积而患有黄色视觉。他看到的一切都是黄色的，这在画中可以看出来。

他悲伤地说：& quot红色对我来说就像泥巴一样，橙色更是无从谈起，很多颜色都离我而去。"根据记载，他通过锡颜料管上的标签辨认出画中有一点紫色和蓝色，因为莫奈此时还不能分辨颜色。莫奈接受第二次白内障手术时，医生摘除了他的晶状体，于是他看到的东西又变成了紫色，他不得不配一副黄色滤光片才能看清东西。后来的抽象画派称赞大师莫奈的后期画作为& quot最柔软、最晦涩、最迷幻的美丽作品& quot。

近十年来，科学研究发现，眼球的晶状体会变得浑浊发黄，这不仅是老年人的专利，也是紫外线强烈的热带地区居民的专利。其实这是一种镜片自我保护的手段，导致视力受损，所以那里的土著不会看到蓝色，甚至没有& quot蓝色& quot用他们的语言。

03二种视觉细胞

人视网膜中有两种视觉细胞：视锥细胞和视杆细胞。视锥细胞有600万个，主要集中在视网膜中央，有一个小而浅的隐窝叫fossa，比针尖还小，眼睛所有细微的观察都靠它；有1.2亿个视杆细胞，分布在视网膜周围。

正是这两种神经器官的共同工作和交替活动，使人既能看到五彩斑斓的美，又能感受到阴郁朦胧的夜。他们不仅能专注于物体的细微结构，还能通过快速浏览了解环境的大致轮廓。而人的眼睛在大脑反馈的指令下不断运动，使得视网膜上的图像不断变化，不断变化，衍生出许多奇妙的神经感觉。

在极弱的光线下，如星光或不那么明亮的月光下，只有视杆细胞在工作，而灵敏度差的视锥细胞根本不被激发；在弱光下(大约是人眼所能感知的最低亮度的1000倍)，视锥细胞开始工作，微弱的色觉是它们开始工作的标志；在中等亮度范围内，视杆细胞和视锥细胞同时工作。随着亮度的增加，视锥细胞开始主导视觉，然后我们看到了一个五彩缤纷的世界。

有趣的是，在外界光线由强变弱或由弱变强的过程中，由于两种视觉细胞的共同作用，也会出现奇妙的视觉现象——普肯雅现象。

图2:两种视细胞(视杆细胞和视锥细胞)对不同波长电磁波的光感。

浦肯野（1787—1869），捷克生理学家，在神经科学上多有建树。1825年他观察到一种现象：在凌晨的曙光中蓝色物体看起来要比红色物体亮一些，但是随着晨光的到来，它们又逐渐变暗。

产生这种现象的原因是二种视觉细胞对光谱的感光度上有很大的差别:杆细胞的最大感光度大约在500纳米的蓝绿光区域（靠近蓝色）；而锥细胞的最大感光度在560纳米的黄绿光（靠近红色）（图2）。所以当我们从成像不佳的弱光转为成像清晰的强光时，人眼的感光度会移向红端，所以原来比较暗的红色也变得与蓝色一样亮了。

为了让读者感受浦肯雅现象的奇妙，笔者选择了一幅蒙特里安的作品《红、黄、蓝》（图3），想借助画面上非常浓郁而纯净的蓝色和红色来做试验。荷兰画家蒙特里安是艺术史上著名的抽象画大师，“格子画”是他后期的特色，在形式多种多样的格子里分别涂上了黄色、红色和蓝色。请读者先在昏暗的环境下观看此画，然后在日光下观看，此时你可以观察到浦肯野现象。

图3：原来明亮的蓝色渐次显得黯谈，而红色的却格外鲜艳。

事实上，在观众的眼睛里，不同的外部光线作用下，画上的颜色会发生变化，这种类似的效应还有如烛光效应。20世纪前，许多画家在创作的时候常常用烛光照明，烛光是一种橙色的光源，后来他们的作品放在博物馆里展览的时候都用白光照明。所以观众在博物馆里看到的与原作比较，在色彩的感觉上有很大的区别。毕加索的某些展览作品呈现蓝色（图4），被艺术史家称为他创作的“蓝色时期”，最近有文献说，这也许是烛光效应在起作用。

图4：毕加索《蓝色时期的作品》

04一条视觉的颜色通道

1964年，由生理学家E.FMacNichol用实验发现承担颜色感知主要任务的视锥细胞有三种类型：第一类对波长420纳米蓝色光最灵敏（蓝视锥细胞）；第二类对波长534纳米绿色光最灵敏（绿视锥细胞）；第三类对波长564纳米红色光最灵敏（红视锥细胞），它们组合起来使人的眼睛可以分辨100万种颜色。

视锥细胞送到视神经的信息是一连串电脉冲，送出电脉冲的速率依赖于光的强度和波长。视觉神经通路从视网膜开始，到达大脑的初级皮层V1区，然后把专门处理颜色、形状等信息通向颞叶，这一条通路也称为小细胞系统。与专门处理空间、运动等信息、也经过初级皮层V1区，再通向大脑顶叶的大细胞系统相对独立，互相配合。

大脑在接收到视觉信息后还要与原来贮存的信息资料分析、比较才能得出结论。例如盆栽的红花、绿叶在昏暗的照明下，杆细胞获取的是黛花、灰叶的信息，但大脑经过判断仍然确认它是红花绿叶。有一种比喻，把确定空间位置和运动的大细胞系统看成是“视知觉家庭”的男主人，把处理颜色的小细胞系统看成是家里的太太，起着添光增彩作用，到也十分形象。

小细胞系统是接收和传递颜色信息的主要通道，其中任何一个环节受损，便会让病人的视野大为逊色。图5是三幅笔者参考了由视觉神经科学家OliverSack通过测试制作的图像原理，重新找到一幅梵高的作品图制作的。

图5（上）：梵高《风景》——正常人眼里的图像

图5（中）：红\绿色盲病人眼见的图像：梵高《风景》，画中的绿色草地和红色的房顶都褪色了

图5（下）：色盲病人眼中的梵高《风景》

上图是一般人的视觉图像；中图是第二类\第三类视觉锥细胞有缺损的病人见到的视觉图像；图中显示的红\绿颜色与正常视觉有很大差异；下图是大脑处理色彩部分受到损伤者见到的视觉图像，完全失去光彩，成为灰蒙蒙的一片。

科学家说造成色盲（中图）的原因是位于X染色体上的长—中波长的视锥细胞基因缺损。由于女性有两条X染色体，而男性只有一条。因此，带有一个基因突变的女性还可以有正常的色觉，而男性没有这样的幸运，就此造成色觉异常了，所以有男性色盲占多数，而女性色盲者不足百分之一。

事实上，第二类\第三类视觉锥细胞有缺损的病人也不是真正的色盲，他们还是能够与正常人一样区分许多颜色，只是会把几组正常人看起来不同的色彩当做一样的了。第一类视觉锥细胞的自我保护能力远胜于上述二类，因为每个人都有它的基因拷贝，所以很少见到有因缺少短波长的视锥细胞基因而无法区别黄绿及蓝色光的病例。而大脑处理色彩的部分受到伤害了，视觉景象成了真正的“黑白”片。

有趣的是，一些著名的绘画大师也是红\绿颜色盲，如英国风景画家JohnConstable，就是一位，当他看到粉色、红色或者橘黄色时候，他无法感知红色的部分，所以只能看到剩下的绿色和蓝色。图6是他的代表作《威文侯公园》，从中也可以看出一些端倪。

图6：JohnConstable《威文侯公园》

我国近代著名画家黄宾虹88岁的时候，白内障急遽恶化，双目近乎失明。显然他视网膜的黄斑受损，色觉已经荡然无存，但是黄宾虹仍作画不辍，画风一新，不过都是没上颜色的水墨画。

黄宾虹《山水画》89岁作品

05色觉与情感

正由于人类具有比较敏锐的色觉系统（3种视锥细胞和一条专门的视觉的颜色通道），较之大多数只有2种、甚至1种视锥细胞，只能感受灰色、无趣环境的哺乳类动物不同。有幸享受大千世界里的色彩缤纷。

诺贝尔物理学奖获得者FrankWilczek说：“色彩是大自然对人类的微笑。”艺术史家贡布里希也说：“没有一种视觉元素能够像色彩那样给我们那么多的愉悦。”所以，色彩与人的情感之间的关系相当密切。许多人都有自己喜欢的色彩，并且总是受到它的吸引：他们会穿这种颜色的衣服，甚至把房间的墙壁涂成这种颜色。

研究证明，色彩能够影响人的心理和生理反应。研究美学的英国心理学家布洛（EdwardBullough）认为，色彩最容易引起人的两种心理活动：联想和移情，而这两种心理活动恰好是启动人的情感活动的金钥匙。人们在看到某种颜色时，往往立刻想到和它有关的事物，例如看见蓝色就想到天空和海洋，见到绿色就想到草木。再进一步，联想可以把以往附着在某种事物上的情感转移到和它相关的颜色上去，比如我们把绿色与生命、健康、环保和生机勃勃联系起来，把它看成生命与自然的象征，这便是移情。

当然，这样的感受因人而异。不过，色彩绚丽的作品容易引起观众的共鸣，这也是不争的事实。所以，20世纪初，当西方摆脱了写实传统的桎梏，以色彩为特点的现代绘画流派就脱颖而出，图7是20世纪初横空出世的野兽派大师马蒂斯的《红色的餐桌》，他的作品浓墨重彩，非常吸引观众的眼球。

图7：《红色的餐桌》

图8：迈克尔·怀特实验图，右侧的灰色看上去似乎要比左侧更加明亮。测量仪器会告知我们，灰度是完全一样的。

虽说色觉是人类对颜色的感觉，是一种主观体验，不仅仅取决于人的视觉系统、大脑的视皮层，以及人的心理和生理等等个人因素，与被观察的客观对象息息相关也是显而易见的。

最值得关注的（也是画家最需要掌握的）是视场对比（见图8）。读者有体会，把二种不同的色彩放在一起，观察者对色彩的感受会发生改变。