本文最初发表于 The Conversation.
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黑色在光谱中处于什么位置？—— Utsav，17岁，印度马哈拉施特拉邦，新孟买
人们喜爱彩虹的七色光：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。人眼将可见光感知为这些颜色组合。
然而，你可能会注意到，有些你能感知的颜色并非经典彩虹的一部分。例如，黑色在哪里呢？
我是一名色彩科学副教授，这是一个结合了物理学和感知学的领域。色彩科学家们致力于更深入地了解人类视觉，并利用这些知识来优化色彩系统——例如相机、屏幕或照明系统——使其运作得更好。
要理解黑色在光谱中的位置，首先要考虑光到底是什么。
光是人眼可见的辐射
光是一种称为电磁辐射的能量。它由一系列称为光子的能量粒子组成。
每个光子都有自己的能量水平。有两个特征可以用来描述一个光子。它的频率是它在传播过程中前后振动的速度——或振荡——的快慢。而它的波长是空间中这些振荡之间的距离。
当波长在约400-700纳米范围内的光子流入你的眼睛时，你的大脑将其感知为光。科学家称这些光子为可见辐射。你感知到的不同波长的光子是不同的颜色。
波长超出该范围的光子对人眼来说是不可见的。较短波长的能量包括紫外线、X射线和伽马射线，而较长波长的能量包括红外线和无线电波。
色调和亮度
颜色感知还受到不同可见波长下光子数量——也就是物理学家所谓的功率——的影响。光子越多，光就越强，看起来就越亮。一种非常鲜艳的颜色主要由相似波长的光子组成。例如，纯红色可能由几乎所有在620纳米附近具有相同波长的光子组成。
具有更宽波长范围的光子流将呈现为更苍白、饱和度更低的颜色。白光，如自然日光，由在可见光谱的宽范围内相对均匀分布的波长的光子组成。LED和其他电光源在光谱上的均匀性稍差，但它们仍然呈现为白色或消色（achromatic），意味着无色。
波长的混合会结合起来呈现为新的颜色。人眼视觉系统会将纯红光和纯绿光混合感知为黄色。再加上纯蓝色，这种辐射混合就会呈现为白色。科学家和工程师在显示设备中利用了这一特性，通过混合红、绿、蓝这三种基色，能够创造出范围巨大的感知颜色。
光谱中的黑色
虽然彩虹中没有黑色，但电磁光谱中的任何光子都可以被视为黑色。或者在某些情况下，它们根本看不见！
可见光谱中的辐射如果功率较低——更具体地说，比其周围环境的功率低——就可以呈现为黑色。
此外，超出可见波长范围的辐射对我们的眼睛来说是黑色的。例如，红外线之所以看起来是黑色，是因为它对人类来说是不可见的。
感知是主观的
我们的眼睛检测光的波长和功率，但我们的大脑对其进行解释。因此，颜色感知总是取决于上下文。
人们能够很好地适应从阳光到星光等广泛的光照水平。因此，我们对颜色和亮度的感知取决于周围环境以及我们最近看过什么。如果你从户外的日光走进黑暗的剧院，起初你可能会觉得整个环境都是黑的，甚至可能难以找到路。
然而，你的视觉系统会立即开始适应低光照水平。很快，视觉细节就会开始显现。那些原本看起来是黑色的地方，现在会呈现出不同层次的明暗和颜色。
考虑一个由浅色矩形旁边深色矩形组成的视觉错觉。每个矩形都包含一个圆圈。这些圆圈看起来是不同的颜色，但实际上是相同的。在浅色背景下，圆圈足够暗，看起来像黑色。当它被黑色背景包围时，这个圆圈就只是深灰色了。即使你知道这两个圆圈是相同的，也很难相信，因为周围背景的影响太大了。
你可能会问自己，一个颜色需要多暗才能看起来是黑色？换一种说法，为了看起来是黑色，物理光的功率需要多低？
为了直观地回答这个问题，请看一个从深灰色到黑色的渐变。在这个渐变中，你称之为黑色的边界或阈值在哪里？如果你调暗显示器，或者在更明亮或更黑暗的环境中观看屏幕，情况会怎样？“这取决于”可能是对颜色需要多暗才能看起来是黑色的最佳答案。
颜色感知是一个迷人的话题，我们色彩科学家在不断揭示人类视觉系统工作细节的同时，也将其知识应用于许多其他有用的领域，包括染料、相机、打印机、LED照明系统以及AR/VR显示器。
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