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第17章 光是什么颜色的(2)

拉曼对于这个问题的研究并没有止于此,1924年。他到美国访问,从康普顿发现X射线散射后波长变长的效应中得到了重大的启示,认为自己的发现是"康普顿效应的光学对应"。后来,经过了几年曲折的探索,他认识到颜色有所改变,比较弱又带偏振性的散射光是一种普遍存在的现象。1928年初,拉曼作出明确的结论,并且参照康普顿效应中"变线"的命名,把这种新辐射称为"变散射"。

1928年2月28日下午,根据之前实验所得结论,拉曼决定采用单色光作为光源,进行一次有判决意义的实验。他从目测分光镜看散射光,看到在绿光和蓝光的区域里,有两根以上的尖锐亮线。每一条入射谱线都有相应的变散射线。一般情况,变散射线的频率比入射线低,偶尔也观察到比入射线频率高的散射线,但强度更弱些。简单的解释就是光的频率在散射后会发生变化,而这个频率的变化决定于散射物质的特性。不久后,人们开始把这一种新发现的现象称为拉曼效应。

蔚蓝的大海

拉曼发现反常散射的消息引起了强烈反响,继而传遍世界,许多实验室相继重复实验,证实并发展了他的结果,科学界对他的发现给予很高的评价。仅1928年,关于拉曼效应的论文就发表了57篇之多。但是尽管如此,他一直都没有离开印度,不仅创建了印度科学院并亲任院长,还建立起研究所,为印度的科学事业和教育事业作出了重要的贡献并立下了丰功伟绩。

天蓝蓝,夕阳红

人们能够在地面上观察到蓝色的天空,是拜散射过程所赐。阳光到达地表的路径,有直接的,也有更为复杂和迂回的。迂回的路径就像Z字形的折线,光从一点跳到另一点。之所以会出现跳跃的现象,是因为地球表面的大气是由大量的空气分子组成,很多分子和光线会相互作用。这些分子会吸收光线,然后很快重新释放出来,但是却不一定和光线最初的路径方向相同。结果就是光线向各个方向散射。站在行星表面的人,能够看到天空中一个巨大的光球--太阳以及从四面八方来的相对微弱的光线(太阳光的光线强烈到能够损坏眼睛,所以不应该直视太阳)。这些散射的光线构成了蓝色的天空。

天空之所以是蓝色的,是因为空气分子更善于吸收和重新释放长度为蓝色的光波(可视光谱中的较短波长)。其他波长的光波较少和空气分子发生相互作用。阳光一般包括了光谱的所有波长,但是大气散射了蓝色的光波,所以人们在仰望天空的时候看到的是蓝色。

海洋的日落景观是美丽的,这是夏威夷瓦胡岛上的落日景象。(凯尔·柯克兰德)

日出日落之所以是红色的,也缘出于此。当太阳在天空中处于较低的位置时,它的光线得穿过比当空照时更多的大气层,才能到达观察者。这条路经散射出更多的蓝色,把浅色的黄色、橙色和红色留在大气中。大气中的尘埃和其他粒子也可以散射波长较短的光线,这就形成了美丽的落日。1883年,印尼的腊卡塔岛发生了一次火山爆发。大量的火山灰和残骸弥漫在大气中。这一次事件使得几年后整个北半球的落日都特别绚烂。

浮油和肥皂泡

色彩的另一种源头是薄膜--浮油的表面或者肥皂泡的膜。这些色彩的产生是因为波的另一种现象,即干扰。

我们知道,干扰在薄膜中是很重要的,因为光从薄膜的两面被反射。例如,肥皂泡的膜可以反射5%接触到它的光线,这对膜的内部和外部都同样适用。到达观察者的两束反射光经过了不同的路径。这些路径并没有什么显著的不同--一个肥皂泡膜的宽度只有大约0.00001毫米。但是这点微妙的差异,对于组成光线的高频率电场波来说,已经足够使它们产生异相了(也就是说,在波循环的不同时间到达)。有一些波会产生破坏的干扰作用,比如波峰和波谷在一起,这样波就被抵消掉了。有一些波则会产生建构的作用,比如波的叠加。到底发生波的抵消还是叠加,取决于兵分两路而来的光线节奏,而节奏又取决于波长。这样就产生了颜色:一些波长被抵消掉,这样颜色就消失了;而另一些波长叠加在一起。这样就产生了光谱,不是由于折射或者散射而产生的光谱,而是由于一些光波被抵消,留下了有色彩的光,而不是白光(当光从CD或者DVD的背面反射出来的时候,也是相似的过程)。

即使有机体缺少分辨波长的感光器,它仍然会看到干扰效应。但是它看到的不是颜色,而是亮色和暗色交替的色带。当光同相的时候,形成亮色的色带;当光异相的时候,形成暗色的色带。

虽然明暗交替的色带并不特别好看,但是它们很有用:对色带的精确测量可以确定薄膜的厚度。这就是"干涉测量法"技术,用干扰波来进行测量。为了更清楚地看到明和暗的色带,人们通常用单一波长的光线(颜色)来进行干涉测量。单色光不会散发成光谱,所以颜色可以叠加或者抵消,产生清晰的色带。今天最为常用的单色光源是激光。

到达肥皂泡表面的大多数阳光能够直接通过肥皂泡,但是肥皂膜也会反射一部分。通过肥皂泡的发射光被膜的外缘折射后到达内缘,一部分先发生反射,一部分直接被折射。这些外缘和内缘的反射光通过不同的路径到达眼睛,就出现了波的干扰。

干涉测量法可以测量许多测量技术难以甚至不可能测量的厚度。2003年,俄亥俄州大学视力测定研究院的杰森·J.尼科尔斯(JasonJ.Nichols)和P.埃文·金-史密斯(P.EwenKing-Smith)用干涉测量法测定了包裹在隐形眼镜外的眼泪膜的厚度--不用取下隐形眼镜就可以进行测量。

爬楼梯与视觉暂留

有一个有趣的实验,在可旋转的圆转盘上装有十二座楼梯,在楼梯阶上装有几组不同造型的管子,转盘上方置有频闪灯。转盘旋转的同时,频闪灯频频闪烁,当转盘转速与频闪频率相匹配时,由于视觉暂留的原因,你就看不到圆盘转动,而看见的是管子在台阶上上下运动,像是在爬楼梯。这个实验的科学原理,就是视觉暂留。

没有实验设备,我们在书页角上连续画上不同手势的小人,快速翻动书页时,小人的手会"动"起来,像在做操一样。这种简易的手绘动画,科学原理也就是视觉暂留。

当物体所发出的光进入我们的眼睛,在网膜上形成影像时,大脑随即产生视觉。如果这时闭住眼睛或将物体移离视线,大脑中的视觉不会马上跟着消失,可以继续留存约十六分之一秒,这种现象称为视觉暂留。当一连串连贯的静止物体以一定的速度通过人眼的时候,人的眼睛就会感觉到物体动了起来,于是就会看到物体"动"起来。

社会上流传的"看见耶稣"图片,也是利用了视觉暂留现象。图片要求观看者:一、注视图中心四个黑点十五到三十秒钟;二、然后朝自己身边白色的墙壁看;三、看的时候,快速眨几下眼睛,耶稣就出现了。

近视眼怎样看见东西?

患近视的人没有眼镜的话,是看不清楚比较远的东西的;但是他们在不戴眼镜的时候究竟能看见些什么,他们所看到的东西究竟是什么情形,这却是有正常视力的人难以理解的。但是患近视的人既是那么多,因此,了解他们所看到的周围世界,应该是一件有益的事情。

首先,患近视的人(自然这里是指没戴眼镜的人)永远不可能看到线条分明的轮廓,一切东西对他们来说都有模糊的外形。一个视力正常的人,向一株大树望去,能够清楚地在天空背景上辨出个别的树叶和细枝。患近视的人却只看到一片没有显明形状的模糊不清的幻觉般的绿色,细微的地方是完全看不到的。

对于患近视的人,人的面孔要比正常视力的人所看到的更年轻更整洁,因为面孔上的皱纹和小斑疤他们都看不见,粗糙的红色的皮肤也像是柔和的苹果色。我们有时候会觉得奇怪,某人判断别人的年龄往往会差了20岁,对于美的鉴别力很奇怪,他时常一直把头伸到我们面前来向我们看,仿佛从来不认识一样……这一切常常不过是由于他近视的缘故罢了。

普希金的朋友,诗人捷尔维格回忆说:"在皇村,我被禁止戴眼镜,因而妇人们对我来说都是那样美丽;可毕业以后禁令解除,我却陷入了失望之中。"

一个患近视的人不戴眼镜跟你谈话的时候,他根本看不到你的面孔,至少他所看到的,跟你所预料的不同:在他面前只是一个模糊的轮廓,看不出面孔上什么特点,因此,一小时后假如他再碰到你,他已经不认识你了。患近视的人辨别一个人,大多是根据对方的声音,而不是根据对方的外形的。这里视觉上的缺憾从听觉的敏锐上得到了补偿。

研究一下夜里的情形对于患近视的人是怎么一回事,也是很有趣的事情。在夜里的灯光下面,一切光亮的物体,像电灯、照得很亮的窗玻璃等等,对于患近视的人都变成很大,他所看到的就是不规则的光亮斑点和一些黑影。街灯在患近视的人看来只是两三个大光点,笼罩了街道上别的部分。他们看不见驶近的汽车;看到的只是两个明亮的光点(头灯),后面只见黑漆漆的一大片。

甚至连夜里的天空,患近视的人所看到的也跟正常视力的人大不相同。患近视的人只能看到前三四等星,因此,他所能够看到的,不是几千颗星,而只是几百颗。但是这几百颗星在他看来却像一些很大的光球。月亮在患近视的人看来显得非常大而且好像非常近;"半月"在他看来形状很复杂,很奇怪。

这一切歪曲以及仿佛放大的原因,当然是由于患近视的人的眼睛的构造上有毛病。患近视的人眼球太深了,它收到的外面物体上每一点所发的光线,不能够恰好集中在视网膜上,而是在视网膜的前面。因此光线射到眼球底部的视网膜的时候,已经又散了开来,就造成了模糊的像。

很多人还不知道应该怎样看照片照相术还在19世纪40年代就渗进我们的生活里来,虽然当时还只是用金属板来拍摄的(所谓银板照相法)。这种拍照方法的最大缺点在于被拍的人一定要长时间坐在照相机前面--往往要坐上几十分钟……

圣彼得堡的物理学家魏因博格教授说:"我的祖父曾在照相室里坐了整整40分钟,就是为了得到一张属于自己的很难复制的银版照片。"

而群众对于可以不要画家就能够得到自己像片这一点,也认为过分新奇,而且近于奇迹,因此并没有很快就相信。在一本古老的俄国杂志(1845年)上,对这个问题有一段极有趣的记述:

许多人到现在还不肯相信银板照相法果真能够拍出照片来。有一次,一位衣冠楚楚的人跑去拍照,店主人就是摄影师。请他坐下来,校正了玻璃,装好一块板,看了看钟,就走开了。店主人在室内的时候,这位想拍照的人一动不动地端坐在那里;但是,店主人刚一走出房门,这位客人为了急于看到自己的照片,认为没有继续端坐的必要,就站了起来,嗅了嗅鼻烟,仔细看了看照相机的四面,把眼睛凑近到玻璃上,然后摇了摇头,说了声"这玩意儿真怪",就在室内来回地踱起方步来。

店主人回来了,他吃惊地停在门旁边,喊了起来:

"你怎么啦?我对你说过,要端坐在那里啊!"

"是呀,我是坐着呀。我只是在你出去之后才站起来的。"

"那时候你还是应该坐在那里的呀。"

"咦,我为什么要无缘无故地坐在那里呢?"

读者一定以为我们现在对于照相已经不会有这样幼稚的看法了。其实,即使在今天,许多人对照相还并没有很好了解,譬如说,就很少有人知道拍好的照片应该怎样看。你一定以为这根本没有什么怎样看的问题:把照片拿在手上看就是了。但是事实上并不这么简单。照片跟许多日常接触的东西一样,虽然接触很多,但是我们却不知道正确对待它。大多数的摄影师和爱好摄影的人--更不用提一般群众--在看照片的时候,完全不是照应该用的方法看的。照相术知道了已经将近一百年,但是竟还有不少的人不知道应该怎样看他的照片。

看照片的艺术

照相机在构造上说,等于一只大眼睛:在它的毛玻璃上显出的像的大小,要根据透镜跟被拍物体之间的距离来决定。照相机拍下来的底片上的像,就跟我们用一只眼睛(注意--一只眼睛!)放在镜头的位置上所看到的相同。因此,假如我们想从照片上得到跟原物完全相同的视觉上的印象,我们就应该:

1.只用一只眼睛来看照片。

2.把照片放在眼前的适当距离上。

把手指放在眼前很近的地方,左右两眼所看到的情形。如果我们用两只眼睛看照片,我们一定会看到前面只是一幅平面的图画,而不是有远近不同的图画。这一点是不难理解的。因为这是根据我们视觉的特性所产生出来的现象。我们看一个立体的东西,两眼网膜上所得到的像是不相同的,右眼看到的跟左眼看到的并不完全一样;正是这个不完全一样的像,才使我们能够感觉到东西是立体的而不是平面的,在我们的意识里会把这两个不同的像融合成一个凸起的形象(大家知道,实体镜就是根据这个道理造成的)。假如在我们面前只是一个平面的东西,譬如一堵墙壁,那时候情形就完全不同,那时候两只眼睛会看到完全相同的像,这样我们的意识里就知道它是平面的。

现在我们就可以明白,假如我们用两只眼睛来看照片,是犯了什么样的错误;这样做就等于我们要自己感觉到前面是一幅平面的图画!我们把应该只给一只眼睛看的照片交给两只眼睛看,就妨碍了自己看到照片上应该看到的东西;因此,照相机这么完善地造出来的像,就给这个大意的行动完全破坏了。

应该把照片放在多远的地方看?

第二条规则也同样重要,--应该把照片放在眼前的适当距离上来看,否则,也要破坏正确的形象。

这个距离究竟应该多大呢?

如果要得到一个完全的印象,照片所夹的视角应该跟照相机的镜头望到毛玻璃上的像所夹的视角一样,或者也可以这样说,应该跟照相机的镜头望到被拍的东西的视角一样。从这里可以找到应该把照片放在多远来看的答案:这个距离和原物离开镜头的距离的比,应该跟照片上的物像和原物的长短的比相等。换句话说,我们应该把照片放在眼前大约等于镜头焦距的距离上。

假如我们注意到大多数小照相机的镜头焦距多是12~15厘米,那我们就可以知道,我们向来没有把照片放在正确的距离上来看:对于正常的眼睛,看东西最清楚的距离--明视距离--大约是25厘米,这个数目几乎等于照相机镜头焦距的两倍。至于挂在墙壁上的照片,因为人们都是从更大的距离上来看的,自然也只给人一种平面的感觉了。

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