2012年7月26日 星期四

什麼是「可見光」?

許多科普的素材會教導「為什麼天空是藍色的」 [1]、「為什麼樹葉是綠色的」 [2]這一類的知識,但是這些知識都基於一個基本事實:人類的可見光 (visible light)是在波長390~750 nm之間的電磁波,而這些繽紛的色彩是視神經收集到這些波段的可見光由視網膜神經送往腦子詮釋後的結果。但是為什麼人類的可見光是處於這個波段之間的電磁波卻沒有被清楚解釋。最一般的說法是因為大氣的吸收光譜中有光學窗口 (optical window) ,而可見光的波長恰好座落在光學窗口的波長區段中 [3] ,所以可見光在空氣中可以通行無阻,而人類的視覺的演化機制就向這個窗口自然而然的靠攏。但是這只是要解釋可見光頻譜要考慮事實中的一小部份。要能夠完整的說明為什麼它之所以為可見光,至少要考慮光源、光所穿越的介質、生物的構造、生物的演化歷程以及無所不在背後物理的支撐。

極限的光速

許多生物在演化的過程中都發展出各類型式的感官,像是聽覺、味覺、嗅覺、觸覺以及我們現在討論的視覺等機制,做為對環境針測、反應的依據。其中視覺在許多生物中無疑是扮演最重要的感官工具。主要的原因是視覺收集的訊息是電磁波,而電磁波以光速傳遞,而光速是所有訊息傳遞速度的極限;因而電磁波、或者是光是所有訊息中傳遞最快、最有效的工具。生物在演化的過程中發展出以電磁波為媒介的感官是極為邏輯的選擇。但是無可否認的有些生物並沒有發展出視覺如此複雜的機制而仍然在其生態區位適應良好,像是無所不在的細菌,它與外在世界的溝通可以是透過化學物質的擴散、壓力或溫度的感知等。。

光的旅程--大氣層

生命的三元素陽光、空氣水在視覺的演化中均扮演重要的角色。先說前面提過的空氣好了。空氣的吸收光譜 (absorption spectrum)—電磁波通過空氣時在各波長會被吸收的百分比有兩個大窗口:一個在可見光附近,一個在無線電波頻率 (radio frequency) 附近 (見圖1)


1: 大氣的不透光性 [4]

由圖1看來,很明顯的大氣電磁波穿透窗口無線電波頻率的穿透率幾乎是百分之百,而可見光 (圖中紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫彩條部份) 以及附近的包括紫外線、紅外線相對的穿透率就沒有那麼高。這個圖的左方高原顯示了大氣層屏障了γ射線、x射線及極大部份的紫外光。這些高能量的電磁波對會造成生物分子的不穩定,進而造成對生物的傷害,因此大氣的屏障對生物生命的保護極為重要。

由這個圖來看第一個問題是如果無線電在大氣中的穿透率比較高,為什麼生物演化的過程沒有選擇此一區段的電磁波來當成可見光?在人類開始掌握電磁學的知識之後,的確對於電磁波在此一區段的穿透性已經充份利用。今日我們所熟悉的收音機、電視、雷達乃至於手機的通訊波長,全落在此一區段。單純以電磁學及工程的眼光來看,選擇無線電波段做為可見光是最合乎邏輯的做法。但是視覺的問題比通訊工程還複雜些。

第一個讓生物演化沒有選擇無線電波頻率當成可見光的理由是解像率 (resolution) 的問題。一種波長的電磁波源能辨識的最小物體大約是其波長之半。這個道理可以用尺的例子來理解。一隻尺總有其最小刻度,而測量的長度在最小刻度之下的部份就只能粗估有沒有超過最小刻度之半。在以電磁波為量尺的類比中,波長就是最小刻度。在圖1中無線電窗口的波長 (注意其橫軸是以波長的對數為單位) 大概是4公分到十餘公尺。即使以最短波長的半波長來看,解像率只在2公分左右。以人類來說,手指頭都會看的模模糊糊的、遑論微笑、揚眉這些細緻的臉部表情。比人類小的生物,問題會更嚴重。所以用無線電波長當視覺電磁波工具的生物,在現今的生態環境下,就會注定是個大近視。但這不是無線電波不能當當視覺電磁波工具的唯一理由。

光的源頭--太陽

所有的感官都牽涉到能量。像細菌製造化學分子以感測外在環境,製造化學分子就需要能量。這些感官所使用的工具,有些是生物內製的,譬如蝙蝠用來探路的超聲頻音波;有些是取自於外在的,譬如視覺是來自於光的反射。如果依賴於外在的能源,顯然有節能的優勢,雖然主動掌控性差了些。

在地球上能量的主要來源是太陽發出的電磁波,它有46% 是以可見光的形式發放出來,另外 49% 是紅外線、5% x [5]X光在經大氣層時被屏障掉了。所以到達地球的電磁波大概可見光和紅外線各半。注意無線電波並不在其中。如果以太陽為光源,以無線電波長為感官的生物會活在黑暗之中,除非本身演化出機制能發出無線電波來感測外在的世界。這是為什麼無線電波無法當成視覺電磁波的理由。

既然外在光源是可見光與紅外線約各半,理論上二者都有機會成為視覺電磁波的候選人。像電影「捕食者」 (Predator)  [6] 中外星人的視覺電磁波段是在紅外線區,這不完全是科幻,真的有生物的視覺電磁波在中紅外線區段。但是前面的「大氣的不透光性」圖中,紅外線被大氣吸收的百分比要較可見光為高。所以除了在有些特殊的環境下,用可見光當視覺電磁波是比以紅外線當成視覺電磁波是要較優秀些。在關於水的討論中,此點會更加明顯。用紅外線來當視覺電磁波,有好處也有壞處。温血動物相較於環境温度比較高,因此温血動物在沒有太陽光的時候本身的熱幅射也是紅外光源 (人體的熱幅射大概是100 ),這是夜視鏡為什麼選用紅外波段的理由,這也是捕食者電影中外星生物用來感應阿諾的主要偵測手段。但是發熱會伴隨著紅外線幅射,這樣的視覺就容易受到熱環境的干擾,這也是阿諾在片中火燒森林來屏蔽自己的理由。


水與可見光相關的理由有兩個,一個是生物的生活環境大部份是水,而有些演化的假說主張陸生的生物起源來自於水中生物。無論如何,現存的許多水生生物都有眼睛的構造,水是除了空氣之外光源的必經途徑之一,所有的光自光源太陽發出後都會經大氣和水的吸收。另一個是我們的視覺器官眼睛的組成,水是其中重要的組成。因此水的特性也會影響視覺電磁波的區段選擇,特別是水的吸收光譜。而且它的重要性可能要超過空氣,因為可見光座落於水的吸收光譜的最低點 (見圖2底下彩色區)

2: 水的吸收光譜 [7]

眼睛

眼睛是主要的視覺器官。圖3 [8] 是人類眼睛的解剖圖。

當光線抵達眼睛時,依次經過眼角膜 (cornea) 前房 (anterior chamber)、虹膜 (iris)、瞳孔 (pupil)、晶狀體 (lens)、玻璃體 (vitreous humor) 到達視網膜 (retina)。這裏頭的組織眾多,但共同的特性是對可見光的透明度很高。人體大概有5/8的體重是水,在眼睛中水佔的比重更高。以佔路徑最長的玻璃體為例,它的水含量高達98.99%  [9] ,其對可見光的吸收基本上與水相似。又如眼角膜雖然其水含量只達75%  [9] ,其餘的是膠原蛋白 [10],但是為了維持對可見光的透明度,它本身沒有血管 (這是為什麼眼角膜首先用於移植手術的原因。沒有血管,組織的排斥性比較不嚴重) ,而它的膠原蛋白的排列、組織就是要維持可見光的穿透性。另外,瞳孔看起來近似黑色的原因就是可見光幾乎不會被反射。所以可見光在經過眼睛時被吸收、反射的機會很小,這也是演化的結果。
3: 人類的眼睛結構

可見光的區段

將光源、大氣與水的吸收光譜、眼睛的結構放在一起考慮,可見光的波長落在390~750 nm之間似乎是最合理的選擇。它有光源,在經大氣、水與眼晴之後的穿透率最高,它的解像率足夠令即使是微生物大小的生物 清世界 (它們沒有眼睛,但可能有光敏的機制) 。唯一要說明的是紫外線。有部份的紫外光源經大氣後仍未被完全吸收,理論上它也可能成為視覺電磁波的一部份。但是紫外光的能量很高,容易造成分子不穩定,是皮膚的主要致癌因素之一。選擇紫外線當成視覺電磁波,對生物健康不利,而演化大概不會選擇會傷害眼睛的電磁波段當成可見光。

生物的演化沒有目的性,過程隨機,是以生物的有些結構如果由工程的眼光來看,還大有改善的空間,像人類食道與呼吸道的交雜容易在進食時嗆到。此一現象在其它的靈長類並未遭遇,而人類會有此麻煩是因為語言能力天擇的結果。但是在選擇可見光當成視覺電磁波此一事上,演化顯然沒有在過程中走了太多的彎彎曲曲的路。
引用文獻

5.          p263, 我在MIT 燃燒物理 (For the love of Physics), by Walter Lewin & Warren Goldstein,  遠流出版社

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