色彩背后的科学，远不是你想象的那么简单
这个世界给而我们最直接的印象，就是颜色。因为太熟悉，所以我们很难求想象如果这个世界没有了颜色，会是什么样子？可你有没有想过，颜色到底是从哪里来的呢？
为了回答这个问题，我们必须先了解人是怎样进行颜色感知的，以及物理上光是和人眼是怎样互动的。
颜色从哪里来
图源: Food Navigator
白光混合了所有的颜色，包括那些肉眼无法看见的。当我们说这个东西有颜色的时候，我们实际上是说某种波长的光比其他波长的光更强的反射了出来。光线的呈现，就是色彩。
不同物质的结构不同，组成物质的基础——原子，所处的状态也不一样。原子有许多不同能量的（电子）状态，原子可以吸收一个光子迁移到一个能量比较高的状态或者放出一个光子缓和到一个能量比较低的状态。原子从一个状态到另一个状态的迁移中发生了能量的变化，把这个能量差所对应的光子（正好具有这个能量的光子）的频率叫做共振频率。
当光照射到原子的时候，处在较低能量状态的原子可以吸收一个共振频率的光子迁移到较高能量的状态，这个过程发生的概率正比于这种频率的光的强度（单位面积单位时间通过的光的能量）。另一方面，处于较高能量状态的原子可以发射一个共振频率的光子迁移到较低的能量状态，这一过程包括两个部分。第一个部分是受激发射，这一过程发生的概率也正比于周围共振频率的光的强度；第二个部分是自然发射，这一过程发生的概率和周围共振频率的光强度无关。
在受激发射的情况下，被发射出来的光与周围共振频率的光的频率、位相、电场方向、行进方向等都完全相同。一般情况下受激发射的概率很小。在自然发射的情况下，光子被向四面八方随机地发射出去，所以自然发射的光是向四面八方传播的。
在单独考虑原子吸收一个光子迁移到一个能量比较高的状态或者放出一个光子缓和到一个能量比较低的状态的过程的时候，由于能量守恒定律，不是共振频率的光子是不会被发射或吸收的。但是，如果考虑一个原子吸收一个光子然后马上再放出一个光子的过程，如果这个中间间隔的时间非常短，那么根据测不准原理：时间的误差乘以能量的误差大于普郎克常量，现在中间间隔的时间短了，所以能量就测不准了，原子可以在一瞬间迁移到靠近（不用等于）那个能量比较高的状态的一个“临时状态”，然后再赶快迁移回来。
当然最终能量还是要守恒的，所以这个过程是：原子吸收一个光子（不管是不是共振频率），飞快地迁移到一个“临时状态”，然后发射一个和吸收的那个频率相同的光子，返回原来的状态。还有另外一种可能：先发射一个光子，飞快地迁移到一个“临时状态”，然后吸收一个和发射的那个频率相同的光子，返回原来的状态。这些过程都是自然发射，所以光子是向四面八方发射出去的。
考虑光和物质的相互作用的时候，作为一种近似，可以孤立地计算每个原子与光的相互作用，然后考虑它们的总和，再加上没有进行相互作用的那部分光。在固体或者液体中，原子是相互靠紧结合在一起的，这时和孤立状态的原子不同，附属于原子的电子会和周围其他的原子相互作用并且有转移到别的原子核周围的概率。一个极端的例子是金属，金属中的自由电子的状态和在孤立的原子中时是很不相同的。在讨论金属与光的相互作用时要讨论的就是自由电子的状态而不是每个原子的电子状态了。但是对于很多非金属的固体或液体，比如玻璃，水，食盐晶体等，物质中的电子状态，仍然很接近于各个原子的电子状态的总和。在这些时候，这样的近似还是可以被接受的。
在常温下一般地来说大部分的原子都处于能量最低的状态，所以可以不考虑处于较高能量状态的原子发射一个光子迁移到较低的能量状态的情况。对于普通的透明的物质，与能量相差最小的状态迁移相对应的共振频率也要位于紫外光领域，在可视光区域的光子是没有足够的能量把原子激励到比较高的状态的。
所以总结一下就是：大部分的光毫无改变地从介质中穿过，少量的光被弹性散乱，通过计算这些光加在一起的和，我们可以得出光的传播特点。咳咳，此处省略n千字（量子力学的东东，咱还是不深究的好）。
除了光与物质的作用，光与人眼的作用也是一个重要的方面。
图源：Pantone.com
人眼和大脑一起将光现转变为了颜色。视网膜细胞将信息传给大脑，大脑制造出了我们对颜色熟悉的感觉。视网膜被数以百万计的光敏细胞，有一些像长杆，有一些像圆锥体，之后这些受体将光线传给视神经。长杆细胞在视网膜边缘聚集，并传输黑白信息。锥状细胞传输更高级的光强，创造出了颜色的感觉以及视觉形状。这些细胞和相连的神经细胞一起工作，给大脑足够的信息来理解以及分辨颜色。
将原子想成一些小砖头，将他们所形成的化学物质想象成由小砖头组成的墙。现在你将球扔向墙壁。更具墙壁的形状，是否光滑，有没有锐角，或者有没有弯折，有没有大洞或者会让球陷进去的洞；你的球可能会以不同的方式弹回来或者穿过墙壁，或者卡在墙里。就像光线照到不同表面一样，表面可能会将光线反射，或者吸收光线或者让其穿透。
这个比喻并不完美，因为光线和球不一样。比如说，我们可以见到的可见光，只是某一个特定区段频率的光。一个分子可能可以吸收任意电磁频率的光子，从无线电波段到X射线，但是颜色只会出现在分子对不同的可见光吸收程度有区别的情况下。我们发现，这并不常见，许多的分子的吸收频率在可见光光谱之上，在紫外范围内。因为大多数的分子内，电子都结合的非常紧密，所以大多数的东西都是白色的。
色素的化学式（图源：ABC.net.au）
有一些物质的电子对强度刚好可以用作色素。一个最早起的天然色素是靛青，经常用在有色的牛仔裤里，它通过一种由一些双键（O=C, C=C, C=O）构成的核心来形成颜色。靛青和其他的有机色素的问题在于，他们会渐渐随着时间淡化，因为他们会吸收能量，而不是反射它。随着时间流逝，化学键会破裂。无机色素比如氧化铁或者锈（赭色），很耐晒并且可以存在上千年。这就是为什么一些岩画现在还可以看见。
番茄红素是一种红色的类胡萝卜素，一种植物化学成分，不止在番茄中存在。番茄红素吸收大部分可见光谱，并呈现红色，蕃茄红素主要反射红色，所以成熟的番茄是红的。
所以说，东西并不是因为它们自己而有颜色，它们的色彩显示需要光线和眼镜的参与。就如，当你身处光线不足的环境的时候，什么都是灰色或者干脆是黑色的。同时记住，你的眼睛只能看到某个范围的颜色。狗，猫，老鼠，兔子并没有很好的色感。实际上，它们常常看到灰色以及蓝色和黄色，但是蝴蝶和蜜蜂可以看见人们看不见的颜色。它们的色感到了紫外范围，事实上不这样的话他们无法生存。进化让他们产生了紫外视野，因为花朵散布着紫外图案，因此蜜蜂可以轻易的确定目标并且传粉。对于人类不能看见的颜色，我们可以通过制造光谱仪来捕捉。
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