讓人歡喜讓人憂的虹色

         如果把一根胡蘿卜放在桌上，無(wú)論從哪個(gè)角度，看到的都是同樣的橙色；把閃蝶的翅膀放在桌上，情況就不同了。如果我們讓視線與閃蝶的翅膀垂直，看到的 是藍(lán)色；如果我們調(diào)整角度讓視線與桌面近乎平行，會(huì)看到翅膀突然變成了紫色。這就是結(jié)構(gòu)色獨(dú)有的現(xiàn)象——虹色，即顏色會(huì)隨著觀察角度的變化而變化。不光是 閃蝶，幾乎所有具有結(jié)構(gòu)色的物體都會(huì)表現(xiàn)出虹色現(xiàn)象。例如轉(zhuǎn)動(dòng)一些甲蟲(chóng)的身體，我們同樣會(huì)發(fā)現(xiàn)甲蟲(chóng)的顏色在變化。甚至當(dāng)我們從不同的角度觀察肥皂泡時(shí)，也 會(huì)看到肥皂泡表面的顏色在變化。

圖1 閃蝶（左）和一種甲蟲(chóng)（右）的虹色現(xiàn)象[1]。

         然而更多的時(shí)候，我們并不希望物體的顏色隨著觀察角度變化而變化。我們前面提到的研究人員收到過(guò)一位畫(huà)家的投訴。這位畫(huà)家說(shuō)，他有一天用這種結(jié)構(gòu)色 “顏料”畫(huà)了一幅畫(huà)，結(jié)果被朋友批評(píng)說(shuō)不該把天空涂成紫色。畫(huà)家很納悶，自己明明用的是藍(lán)色顏料啊。兩個(gè)人吵了半天，最后發(fā)現(xiàn)是誤會(huì)——站的角度不同，看 到的顏色自然也不同。顯然，在這樣的場(chǎng)合，虹色只會(huì)帶來(lái)不必要的麻煩，需要盡量避免它的出現(xiàn)。而要避免虹色的出現(xiàn)，我們自然應(yīng)該先了解虹色現(xiàn)象是如何產(chǎn)生 的。

         讓我們?cè)俅位氐椒试砼葸@個(gè)最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)色的例子，分析一下虹色是如何隨之出現(xiàn)的。

         虹色是如何產(chǎn)生的

         我們已經(jīng)知道，肥皂泡的表面之所以會(huì)呈現(xiàn)出不同的顏色，是因?yàn)閺姆试砼菽?nèi)外表面分別反射的光相遇時(shí)會(huì)發(fā)生干涉。膜的厚度不同會(huì)導(dǎo)致兩束反射光路程 差的不同，而兩束光的路程差直接決定了發(fā)生干涉時(shí)強(qiáng)度是否達(dá)到最大。在肥皂泡的某個(gè)區(qū)域，兩束光的干涉恰好使得某種顏色的光的強(qiáng)度最大，這個(gè)區(qū)域于是就帶 上了這種顏色；而在另一個(gè)區(qū)域，膜的厚度又恰好使得另一種顏色的光在發(fā)生干涉時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大，于是膜厚度不均使得肥皂泡往往是五彩斑斕的。

         細(xì)心的朋友可能注意到了，我們?cè)谶@里還漏掉了一個(gè)因素，那就是光照射到肥皂泡表面的角度。顯然，即便膜的厚度不變，當(dāng)光以不同的角度入射時(shí)，從肥皂 泡內(nèi)外兩個(gè)表面分別反射的兩束光的路程差也不同。假設(shè)肥皂泡某個(gè)位置的膜厚恰好使得在某個(gè)入射角度，從上下表面反射的光的路程正好相差870納米，而這個(gè) 距離恰好是波長(zhǎng)為580納米的光的波長(zhǎng)的1.5倍，這個(gè)波長(zhǎng)的光是黃光，并且能夠在反射時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大，因此肥皂泡的這個(gè)位置剛好呈現(xiàn)黃色?，F(xiàn)在我們讓入 射角度增大，也就是說(shuō)讓入射光更加貼近肥皂泡的表面。根據(jù)簡(jiǎn)單的幾何知識(shí)我們就可以看出，從內(nèi)表面反射的光多走的路程會(huì)減少[2]。如果入射角度增加了一 定程度后，兩束反射光的路程差從870納米減小到了840納米，我們用這個(gè)數(shù)值去除以1.5，得到560. 也就是說(shuō)，這個(gè)時(shí)候波長(zhǎng)為560納米的光在反射光中強(qiáng)度達(dá)到了最大。對(duì)照一下可見(jiàn)光的光譜我們就會(huì)知道，這個(gè)波長(zhǎng)的光不再是黃光，而是綠光；于是肥皂泡的 這個(gè)區(qū)域的顏色就由黃變綠，這就是虹色產(chǎn)生的原因。當(dāng)然，光實(shí)際上總是從各個(gè)不同的角度照射到肥皂泡上的，但我們變換觀察角度時(shí)，仍然相當(dāng)于改變了光的入 射角度，所以還是有可能看到不同的顏色。總之，肥皂泡表面不同的區(qū)域之所以會(huì)呈現(xiàn)不同的顏色，不僅由于不同的位置膜的厚度不同，也由于不同的位置反射光的 角度不同。因而即便整個(gè)肥皂泡的厚度均一，不同的區(qū)域也有可能呈現(xiàn)出不同的顏色。

圖2 虹色產(chǎn)生的原理：光以不同角度照射到薄膜表面時(shí)，

從薄膜內(nèi)外表面反射的光的路程差也不同，導(dǎo)致光的干涉發(fā)生變化[3]。

         讀到這里，許多讀者可能會(huì)一聲嘆息：既然虹色現(xiàn)象是注定伴隨結(jié)構(gòu)色而存在，結(jié)構(gòu)色縱然有千萬(wàn)種好處，只要虹色現(xiàn)象沒(méi)法消除，我們也就很難好好利用它了。其實(shí)大可不必悲觀，因?yàn)樽匀唤缰写_實(shí)有例外存在。那么，沒(méi)有虹色或者說(shuō)虹色現(xiàn)象很微弱的結(jié)構(gòu)色在什么地方呢？

         沒(méi)有虹色的結(jié)構(gòu)色

         轉(zhuǎn)眼又到了周末，那位被虹色現(xiàn)象深深困擾的研究員決定暫時(shí)放下手中的工作，到外面散散心。這一次他去的不是自然博物館，而是動(dòng)物園。

         動(dòng)物園的鳥(niǎo)類展區(qū)飼養(yǎng)了許多不同種類的鳥(niǎo)，諸如翠鳥(niǎo)、蜂虎、藍(lán)知更鳥(niǎo)、冠藍(lán)鴉等。看著這些可愛(ài)的小鳥(niǎo)，我們的這位研究員的“職業(yè)病”又犯了，他留意 起鳥(niǎo)的羽毛來(lái)。他注意到，許多鳥(niǎo)都有藍(lán)色的羽毛。鳥(niǎo)羽毛上的顏色來(lái)自于羽毛當(dāng)中的顏料，例如許多紅色、黃色或者粉色的羽毛是來(lái)自于其中含有的類胡蘿卜素， 而黑色羽毛則是黑色素的功勞。然而，鳥(niǎo)類羽毛中很少有藍(lán)色或者綠色的顏料。這兩種顏色往往是結(jié)構(gòu)色，例如我們上一篇提到的孔雀羽毛上那些藍(lán)色的“眼睛”。

         這位研究員還注意到，孔雀羽毛上“眼睛”的顏色會(huì)隨著觀察角度的變化而變化，也就是具有虹色現(xiàn)象；可是像蜂虎、藍(lán)知更鳥(niǎo)這樣的鳥(niǎo)，站在不同的角度去 看，它們羽毛上的藍(lán)色并沒(méi)有太明顯的變化。那么這些鳥(niǎo)羽毛上的顏色到底是來(lái)自顏料還是來(lái)自結(jié)構(gòu)色？如果是來(lái)自結(jié)構(gòu)色，為什么會(huì)沒(méi)有虹色現(xiàn)象呢？

         這位研究員對(duì)這個(gè)問(wèn)題十分好奇?；氐綄?shí)驗(yàn)室，他找來(lái)這些鳥(niǎo)的羽毛，希望搞清楚這種藍(lán)色的起源。他先把這些藍(lán)色羽毛碾碎，一看，藍(lán)色沒(méi)了，看樣子這些 鳥(niǎo)的羽毛中并不含有藍(lán)色的顏料。接下來(lái)他把另一根完整的羽毛放到電子顯微鏡下觀察。你猜看到了什么？微觀結(jié)構(gòu)！這位研究人員從這些藍(lán)色羽毛中主要觀察到兩 種結(jié)構(gòu)：一種是角蛋白構(gòu)成的羽小枝中密布了直徑幾百納米、充滿空氣的小洞，看上去很像一塊海綿；另外一種是角蛋白像樹(shù)枝一樣互相連接，而空氣則占據(jù)其余的 空間。他又比較了一下孔雀羽毛中的那些微觀結(jié)構(gòu)，看上去差不多嘛。于是他大筆一揮：與孔雀一樣，這些鳥(niǎo)的羽毛中也存在微觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致光發(fā)生干涉，因此這種 藍(lán)色也是結(jié)構(gòu)色。他很快把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理好，寫(xiě)成一篇論文寄了出去，自信滿滿地等待著論文發(fā)表。

與孔雀類似，許多鳥(niǎo)類的藍(lán)色羽毛都是由羽毛中的微觀結(jié)構(gòu)（下，電子顯微鏡照片）導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)色。但與孔雀不同，這些結(jié)構(gòu)色不具有明顯的虹色現(xiàn)象[4]。圖中三種鳥(niǎo)由左至右依次為銀胸絲冠鳥(niǎo)、藍(lán)知更鳥(niǎo)和斑喉傘鳥(niǎo)。

         審稿人并沒(méi)有就此罷休，而是進(jìn)一步指出，孔雀羽毛中的微觀結(jié)構(gòu)排列非常規(guī)則，而像翠鳥(niǎo)、藍(lán)知更鳥(niǎo)這些鳥(niǎo)的藍(lán)色羽毛中的微觀結(jié)構(gòu)則是雜亂無(wú)章的。根據(jù) 光學(xué)原理，這樣無(wú)規(guī)則的結(jié)構(gòu)是不太可能讓光發(fā)生干涉，從而使得藍(lán)光強(qiáng)度達(dá)到最大。相反，這位審稿人認(rèn)為，比較合理的解釋是這些微觀結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈地散射了藍(lán)色 光，于是我們就看到這些鳥(niǎo)的羽毛呈現(xiàn)藍(lán)色。最后審稿人宣判了這篇論文的死刑：一派胡言，不予發(fā)表。

         看完審稿人的意見(jiàn)，這位研究員在為自己當(dāng)初過(guò)于草率地下結(jié)論而感到羞愧的同時(shí)，也感到了一絲困惑：這位審稿人否定了我的解釋，那么他提出的解釋又是什么意思，這個(gè)解釋是否正確呢？敬請(qǐng)關(guān)注《不需要顏料的色彩》的最后一部分。