彩虹的啟示

 吳偉賢 ( 香港中文大學訊息工程學系副教授 )　

         三百多年前，牛頓用一片三棱鏡，從一線由窗簾縫間透進來

的太陽光，折射出一條人造彩虹；在本來黑暗的小房間內，流轉

著令人驚嘆的七彩顏色。當時的牛頓興奮萬分，知道自己又發現

了一項人所未知的自然奧秘，而且這個極其簡單的實驗，可能是

科學史上最美麗的一個！在記事簿上，牛頓用心地紀錄了整個實

驗過程，畫了一幅不太整齊的草圖（牛頓的繪圖技巧一直不太靈

光，天才始終也有弱點！），寫下了實驗結果 —— 太陽發出來的白光，原來是由多種不同顏色的光線混合而成。

        在往後的一個多世紀裡，歐洲的科學家循著牛頓這美麗發現的方向努力追尋，苦苦思索顏色光線混合時產生顏色變化的原因，為何多色光混合會變成白光？綠光加藍光成了靛藍這半青半藍的顏色還算容易理解，綠光加紅光又為何成了黃光？熟悉油畫顏料的畫家卻又指出，綠色和紅色顏料如何也混不出黃色，而是灰灰棕棕一片深沉！科學家一直提不出一個圓滿的理論，來解釋人們由觀察所見的一切關於顏色的美麗而神奇的現象。

         到了十八世紀將要過去的時候，另一位物理學天才，現代光學之父 Thomas Young 終於提出了一個令人滿意的顏色理論。在另一個重要的科學實驗裡，Thomas Young 證明了彩虹上的各種顏色，都能夠用紅、藍、綠三種「原色」（primary colours）按不同的比例混合而成。但顏料的混合又如何解釋？原來顏料的色彩是通過選擇性反射外光—一個「減」的過程而來的。譬如紅色顏料，其實是吸收了紅色以外的其他光線，反射出來的自然只有紅色的光線了。

         三原色理論固然是一個重要里程，唸過物理的同學都是耳熟能詳的了。但是 Thomas Young 當年提出了另一個新觀點、新猜想，對後來的科學家引起更大啟發，其影響更超出了物理學界，直達生理學、心理學以至哲學等其他範疇！

         Thomas Young 提出一個新的觀點，指出顏色並非光線本身的物理特性，而是光的觀察者 —— 人本身的知覺經驗，一個心理現象。嚴格說來，顏色並非存在於被觀察的物理世界！他進而提出一個猜想，認為人類的眼睛，有三種不同的感應器，分別對三種原色產生反應；不同感應器反應的強度比例，就決定了我們的顏色經驗。

        由此推論，就算兩件物體看來顏色一樣，並不代表他們反射出來的光的成份一樣，而是我們眼睛的三種感應器的反應強度比例一樣而已。換言之，肉眼所見的顏色，其實是我們對光的成份的分辨能力極為有限的結果！這個近二百年前的推論，到了本世紀終於得到證實，生理學家在人類眼睛的視網膜上，果然發現三類不同的負責顏色感應的視錐體！

        憑著 Thomas Young 提出的這個新觀點，我們可以重新審視牛頓的實驗結果。太陽光給三棱鏡折射分解出來的不同光線，是進入我們的眼睛後才引起我們不同的色彩感應；換言之，顏色根本不是光線本身的物理屬性。到了今天，物理學家清楚告訴我們，光是波（wave）的一種，不同頻率的光波，由空氣進入玻璃製的三棱鏡時，會產生不同幅度的折射；頻率越高，折射幅度越大。肉眼可見最低頻的光和最高頻的光分別感應為紅色和藍色，這正是彩虹色譜的兩端；而整個美麗的彩虹，原來是人類的眼睛，對最高頻和最低頻的可見光之間一切單頻光波，感應出來的一幅圖畫！我們大可以說，原來彩虹是屬於人類，是人類特有的、美麗的視覺效果！

        原來任何一個觀察都不是單獨存在，而是與觀察者息息相關。分析一個觀察，也就要同時分析觀察者。這個啟示引起了不少科學家以至哲學家的沉思，更促成了研究人類作為觀察者的特性的一門新興學科—心理學。偉大的學問，原來是不會囿於本來領域；深遠的影響，是可以直達人類知識庫的每一個角落，開拓一片新天新地。 

*** 本文選自《川流》雙月刊 (二) 1998 年 5 月 ***