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红黄代表暖,蓝绿代表冷,或许是一种错觉

为什么人们会有红光温暖的错觉?

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子乾,兴趣使然的科普
查看知乎原文

在生活中,红色、黄色会让人觉得很暖和,而绿色、蓝色则让人觉得冷。但实际上,发绿 、蓝色光的物体温度往往比发红黄色的物体要高。

1、光与电磁波

既然问的是光的现象,就要首先说一下,光是什么?

光是一种电磁波,准确的说,是电磁波谱中的一个波段。电磁波具有波长()和频率(),

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二者成反比,光的频率越高,波长越短,单光子的能量也就越高。

在电磁波谱中,波长从 760 纳米到 400nm 的一段对应的就是可见光,而颜色则是红橙黄绿蓝靛紫的顺序。

也就是说,在可见光中,红色波长最长(频率最低,单光子能量最低),紫色波长最短(频率最高,单光子能量最高)。

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电磁波谱

红外线的波长比红色还长(频率更低,单光子能量更低),而紫外线的波长则比紫色更短,这也是为什么紫外线的照多了容易使皮肤晒伤,就是因为紫外线能量更高。X 射线和伽马射线则属于能量更高、波长更短的无线电,而家用微波炉中使用的就是微波,它的波长更长,频率更低。

2、为什么会发光

物体会发光的原理有几种不同的情况,但是日常生活中的大部分光源(太阳光除外)都涉及到了原子结构。

用最简单的氢原子来说明:氢原子由原子核和一个核外电子构成。与宏观不同的是,原子中的核外电子只能稳定处在一些列离散的状态上,每一个状态都有着确定的能量。电子可以在不同的能级之间跃迁,这个过程就会吸收或者发射光子,如下图所示:

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氢原子中的电子能级结构

比如说电子处在能量为状态上,则有可能自发地跃迁到能量较低的状态上,并释放出能量为equation?tex=E 2 E 1的光子。由于此时电子的能量只能是某些离散的值,因此辐射出光子的能量也只能是一系列离散的值,如上图右下角所示。

这是最简单的单原子的情况,实际上,对于大多数分子来说,其能级结构都非常复杂,核外电子不仅仅是一系列离散的能级,而是形成了“能带”结构,也就是说,电子的能量可以处于某些连续的区间,因此,电子跃迁发出的光子也可以是连续的光谱。

日常生活中的大多数光源都是这个原理:即分子内的电子从高能级跃迁到低能级,辐射出光子。当然,太阳发光原理不太一样,它是通过核聚变发光的,此处就不详细说了。

3、温度与颜色

不同温度的物体发光颜色也不同,那么物体的温度跟发光颜色关系是怎么样的呢?

我们知道,宏观物体的温度其实质是反映了内部粒子的运动剧烈程度,温度越高,运动越剧烈,或者说,运动速度越高,能量越高。

对于一个热平衡的系统,粒子的运动速度与温度的关系由麦克斯韦 - 玻尔兹曼速率分布来描述,

equation?tex=f%28v%29%3D4%5Cpi%28%5Cfrac%7Bm%7D%7B2%5Cpi+k+T%7D%29%5E%7B3%2F2%7D%5Ctext%7Be%7D%5E%7B %5Cfrac%7Bmv%5E2%7D%7B2kT%7D%7Dv%5E2

用图像能更直观的理解:

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麦克斯韦 - 玻尔兹曼速率

不仅是分子,能带的内的电子也会满足类似的关系,也就是说,温度越高,内部的电子也会有更大的概率处在高能量状态。

而高能量的电子总是有一定的概率跃迁到低能量的状态上,同时辐射出光子。高能量的电子越多,辐射的光子也就越多,物体的发光强度也就越大,同时,辐射短波(即高频率、高能量)的光子的概率越大。

也就是说,温度越高,物体辐射的电磁波的“平均波长”就越短,“平均频率”越高,“平均能量”也越高。

当然,辐射的频率分布与温度也有定量的关系,即黑体辐射的普朗克公式:

equation?tex=I%28%5Cnu%2CT%29%3D%28%5Cfrac%7B2h%5Cnu%5E3%7D%7Bc%5E2%7D%29%5Cfrac%7B1%7D%7Be%5E%7B%5Cfrac%7Bh%5Cnu%7D%7BkT%7D%7D 1%7D

当然,这个式子比较复杂,画个图更容易看:

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黑体辐射

图中红色、绿色、蓝色的三条线分别对应温度为 3000K、4000K、5000K 的黑体辐射的电磁波波谱。此处要说一下,这里的“K”是热力学温度,跟我们日常生活中用的摄氏度“℃”直接的关系为:

比如说,0 摄氏度就对应热力学温度 273.15K。而对于图中 3000K、4000K、5000K 这样的温度,这两种单位的区别不大。

从图中能得到几个关键信息:

  1. 任何有温度的物体都会辐射电磁波,无论温度多低,只不过温度很低的物体辐射的电磁波波长很长,频率很低,能量很小。
  2. 随着温度的升高,物体的颜色应该是逐渐从红色变为黄色、绿色、蓝色这样的顺序;
  3. 当物体的温度较高时,各种频率的颜色的光都有,因此看起来应该是白色的,比如正午的太阳
  4. 物体的温度达到 3000K 时才能有比较明显的发光

温度与颜色的关系,或者说,温度与电磁波频谱的关系在生活和生产中有非常重要的应用,比如测温

人体测温计就是检测人体发射的红外线,因为人体的温度比较低,辐射的电磁波主要集中在红外线波段;再比如说炼钢厂,铁的熔点是 1539 度,这样的温度很难用普通的温度计测量了,但是可以通过检测钢水的发光频谱来确定温度。

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融化的钢水

可以看到,钢水的中心颜色很明显偏白色,这就说明发射的电磁波频率主要集中在高频波段,温度很高;而周围的颜色则是偏红色,这说明周围的颜色是较低的。

多说一句,我们知道目前宇宙的温度为 2.72548±0.00057K,其实就是通过观测宇宙的微波背景辐射得到的,前文说了,微波就是波长非常长、能量非常低的电磁波了。测量结果发现,这个光谱符合黑体辐射谱,因此就可以根据黑体辐射公式定义出温度了。

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上图:实验观测到宇宙微波背景辐射谱,理论和实验符合地非常好;下图:根据实验数据绘制的图像

4、温度与冷暖

根据以上的内容可知,红色对应物体的温度应该小于蓝色或者绿色(注意,此处对于光源才成立)。那么为什么人会觉得红色黄色是暖色,蓝色绿色则是冷色呢?

对这个问题我并没有太多研究,但是根据知友@酋知鱼 写的内容[1]我也总结了一下原因:

原因一:来自日常生活中的经验

  1. 由于太阳光中的紫色、蓝色、绿色等短波光被大气散射,日出和日落时,太阳方向会呈现出红色或红橙色的光,而这两个时段又往往让人产生暖的感觉;
  2. 人造光源的温度一般来说都比较低,通常只有几百度,在这个温度下,发出的可见光中,红色远远多于蓝色

原因二:红色的光确实更暖和。

日常的人造光源,比如火把、火炉、白炽灯等,不仅会发红光,里面也还会有大量的红外光,而红外线则有很强的热效应。

红外线的能量一般来说低于普通物体的分子之间的键能,容易分子吸收,转换为分子的动能,进而让物体温度升高,对人来说,就会觉得暖和;而可见光尤其是蓝、紫色甚至紫外线的能量太高,会打破分子键,而不是转化为热能。

综合以上这几种原因,人们就很容易经验地把红橙光与暖联系到一起。

其实对于颜色的温度,在摄影中有一个专门的词:“色温”。光源的色温定义为与此光源发出相似的光的黑体辐射体的开尔文温度,当然,只有这些颜色与黑体辐射的颜色相同或者接近时才能定义色温,否则就没什么意义。

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800 K 到 12200 K 的黑体辐射光谱,这个区间大约是夜晚天空中各种星星发出的光的区间

而根据这些色温就可以把光大致分为三类[2]

  1. 暖色光暖色光的色温在 3300K 以下,暖色光与白炽灯相近,2000K 上下的色温则类似烛光,红光成分较多
  2. 中性色光又叫冷白色,它的色温在 3300K 到 5300K 之间,中性色由于光线柔和,使人有愉快,舒适,安详的感受
  3. 冷色光又叫日光色,它的色温在 5300K 以上,光源接近自然光,有明亮的感觉,使人精力集中及不容易睡着。

这里就是根据人对光的感觉来定义的“暖色”还是“冷色”。

因此:

为什么高温下的东西,大部分都是红颜色的?
比如说,岩浆高温的是红色的吧?铁,烧热也是红色的。

因为日常生活中大部分的光源温度都集中在几百到 1000 摄氏度左右,这个温度范围内可见光的颜色主要就是红色。

就连人脸,如果说发烧的话也是红色的。

这大概是因为血是红色导致的,跟上面提到的温度高没有什么关系。

至于这个世界真的是被设计好的?

你猜?嘿嘿嘿。

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