【科學奧秘】第四集: 為什麼我們看不見綠色火光、星光、和太陽光？

玉言又止

發佈於科學奧秘館

2024/01/08閱讀時間約 8 分鐘

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這一集的圖片就完全消失了, 被我刪掉, 節省空間, 只有影片裡才有, 抱歉大家🥹

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大家好, 這裡是科學奧秘, 用科學解釋世界。

上一集我們講到色溫表和溫度的關係, 細心的人會發現, 色溫表裡的顏色並不是我們認為應該出現的彩虹色, 甚至連綠色都沒有。而我們在電腦和手機上都能看到綠色, 但在燃燒的火光裡, 或者熾燈泡裡, 卻看不見綠色, 就算如此熾熱的太陽放出的光, 我們依然看不見綠色, 這一點也同樣適用於其他星體, 那這是為什麼呢?

這一集我們就會用到關聯色溫表, CCT, 就是將色溫表與黑體輻射結合起來的色溫圖表。

電子發光和熱輻射發光

首先我們從基本來講, 電子發光和熱輻射發光是有本質上的區別的, 拿最多使用的發光二極體來說, 電子發光利用電子的特性, 負荷電子和電子空穴結合後, 多餘的能量被釋放, 就會直接發出光與輕微的熱量, 而熱輻射則是需要物質達到熱平衡狀態後, 在輻射峰值處發出的光, 這個過程伴隨著巨大的熱量。

但在這裡我們討論的是, 為甚麼即使再大的火焰, 我們也看不到綠色火光呢? 或者星星和太陽光, 我們也看不見綠光呢?

人眼對顏色的識別

先從人眼對顏色的感知方面解釋, 人眼對顏色的認知比較複雜, 在這裡我們僅講對發射出的光線顏色的認知。人眼中的視椎細胞, 對波長較長的可見光較敏感, 比如紅色, 橙色。而桿狀細胞, 則在光線較暗的時候, 對波長較短的藍綠色可見光更敏感。

我們看到的大多數可見光的顏色, 很多情況下並不是物體真正的顏色, 而是一種反射, 是某種物體在某種特定條件下發出的某種特定的光, 如果我們稍微改變條件, 我們就會看到不同的顏色。

這一點用鄰近色錯覺就能很好解釋, 相同的顏色, 當它處在鄰近色中時, 會顯得比處在光譜裡離自己較遠的顏色中要暗很多, 我們人眼會認為是兩個顏色。

如果大家感興趣, 下方有一個連結, 可以玩一下感受一下。

錯覺模擬實驗

所以宇宙中的星體可以在周圍星體發出的光的影響下, 在我們人眼中會顯示出綠光, 比如在受紅光照耀更多時, 會顯得更綠。另外, 當多種顏色的光同時照耀時, 我們也可以從混合光裡直接看到不存在的綠色。

基於以上顏色錯覺的差異存在, 我們一是可能看見不存在的綠光, 二是我們根本看不見真的綠光。

Ryan Stone on Unsplash

黑體輻射與綠光

那我們從物理上的黑體輻射角度該如何解釋這個現象呢?

首先, 我們先確定火焰, 還有星體是否為黑體。我們先拿炭火舉例, 黑黑的炭本身就是一個標準的黑體, 內部吸收並釋放輻射, 但外部絕緣, 所以炭, 可適用於黑體輻射定律。回想一下, 燃燒的炭火, 你有看過綠色的嗎? 應該是沒有, 但有一個例外, 經氣體燃燒的火焰, 氣體被迅速加熱後, 產生化學反應, 會出現藍色火焰, 我們會可以看見藍光的火焰, 不屬於熱輻射, 但氣體本身沒有內外部之分, 吸收的熱輻射會透過熱傳導和對流發散掉, 所以不屬於黑體。最後星體, 包括太陽, 這些可以吸收和發出大量熱量和輻射, 在一定條件下可以導電, 所以說是近似黑體, 發出的光譜經計算後, 也類似於黑體輻射的普朗克軌跡, 所以星體也可以適用於黑體輻射定律。

普朗克軌跡

那我們就從黑體輻射的普朗克軌跡出發解釋炭火和星體的綠光問題。甚麼是普朗克軌跡? 普朗克軌跡就是黑體輻射發出的可見光的光譜分布, 採用開爾文溫標, 以絕對零度為零度繪製而成。

我們已經知道色溫和溫度成反比的關係, 溫度越低的物體, 發出的光的色溫越高, 比如紅色, 溫度越高的物體, 發出的光的色溫反而越低, 比如藍色和紫色。根據黑體輻射分布定律, 科學家們在CIE 1931色彩空間裡, 繪製出了普朗克軌跡, 也就是在不同熱輻射的溫度下, 發出的可見光的軌跡。

這裡謝謝圖片免費供應者, 讓我可以不用花時間用超多種顏色去繪製, 因為剛好這次需要比較精確。好了, 這裡我們看到, 大約1500K的位置, 是類似於橙紅色, 也就是我們看到的, 燃燒的炭火, 帶有一點橘色的感覺, 然後隨著物體溫度的升高, 色溫逐漸降低到末端的藍色, 注意這裡還沒有到紫色, 這也可以解釋為甚麼我們看不到紫色的火光了。

整體來看, 軌跡基本是從紅色穿過橙色, 再到黃色, 再到看似幾乎類似於白色的區域, 最後再到藍色, 紫色基本沒有, 注意了, 這裡為甚麼會有白色? 我們在色溫表裡也見過大量的白色在中間部分,。

這是因為, 在熱輻射發出的可見光裡, 紅光, 藍光和綠光混合在一起的時候, 我們人眼會自動識別為近似白色, 而不是看到分離的三種顏色, 這是因為人眼對顏色的感知系統造成的原因。

最後, 我們明顯看到, 綠色部分在這條普朗克軌跡上是幾乎打擦邊球的, 反而上面有很大一塊是全綠色, 並且整個黑體輻射可見光的軌跡三分之二都是紅色和黃色, 藍色占比非常小, 而且也只是淺藍, 不是深藍, 更沒有紫色了, 近似白色則占據中間位置, 甚至下面的紫紅色我們也都會看不到。

所以透過這條普朗克軌跡, 熱輻射的火光和星體發出的可見光裡, 我們看到的最多的是紅色和黃色, 或者橙色, 然後是白色, 最少數是淺藍色。其他顏色我們都看不到, 需要借助一定的儀器。

所以, 這就是為甚麼在炭火燃燒, 熾燈泡發光以及星體發光時, 我們看到的幾乎大部分是紅色黃色和白色了,少數時候會看見藍色, 白色則是因為紅光加藍光加綠光混合在一起, 人眼會自動識別為白色, 而不是分離的三種顏色。

真正的綠光存在嗎

那星體, 包括太陽, 實際上是會出綠光的嗎?

答案是: 是。

星體表面的溫度大概在6000K左右時候, 會釋放出綠光, 太陽也是一樣, 但我們沒有看到綠色太陽光滿天都是, 是因為星體發出的大量光芒中, 也包含了大量紅色, 還有藍色, 並不是只有一種綠色, 結果三種顏色混合起來, 我們就會看到白光, 所以當你抬頭看太陽光的時候, 你會發現是刺眼的白色, 而不是其他的顏色。

星體的藍紫色光

那星體會發出藍色和紫色的光嗎?

更熱的星體會, 大概高達20000K的溫度時, 就會發出大量藍色和紫色光, 但是我們是看不見紫光的, 所以只能看到藍光, 這些超熱星體, 看上去都會是相似的藍色, 熱度卻極高。

Jeremy Thomas on Unsplash

怎樣看到綠色火焰和綠色星光

最後一個問題, 那我們有辦法看到火焰和星體的綠光嗎?

有的, 前提是火焰溫度足夠高到大約6000K左右, 使用可以過濾掉紅光和藍光的儀器, 或者分光鏡觀測, 我們就能看見綠色的火光, 星體也是一樣, 除非該星體剛好在綠色擦邊的光譜那裏發散出大量光芒, 而沒有其他別的光, 這個時候我們也是有機會看到綠光的, 但大多數情況下, 星體都會散發出普朗克軌跡上所有的光。