跨年夜的遍地投影，如何实现五彩斑斓的黑？

中科院物理所

2024-12-31 13:29发布于北京中科院物理所官方账号

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世界上根本就没有黑色的光。那我们是怎么在屏幕上看到达斯·维达的呢？(注：《星球大战》中的人物)

你可以用投影仪投射出各种颜色，但能投射出黑色吗？那会像用手电筒投射出的影子一样吗？想想看，你做报告的时侯，竟然可以投射出黑色背景的幻灯片。这是怎么做到的呢？这当中有着非常有趣的物理学，下面让我们一起来探究一下吧。

我们是如何看到黑色的?

我喜欢问学生一些关于他们是怎么看见东西的问题。第一个是最有趣的：你们是否有过处在完全的黑暗环境中的经历？我是说根本没有光源，甚至连门缝里的光都没有。你可能会在洞穴之旅中经历过这种情况，导游把灯关掉几秒钟来吓你一跳。(这可不是个好主意；毕竟有时灯就不会再亮了。)

下一个问题：你在黑暗的房间里会看见什么？如果不是完全黑暗，你的眼睛会自己调整，这使得你最终会看到有形状的微光。然而，在完全黑暗的房间里，你什么也看不见，好似一片完全的虚空。这有点令人不安。

为了更有趣一些，我做了一个物理演示来帮助大家理解黑色。

图片由瑞德·阿兰提供

这是一个插着管子的盒子。顶部还有一扇可以打开的盖子。学生们向管子里看，并试着确定盒子里面的颜色。每个人的答案都是一样的——里面是黑色的。然后我打开顶部的门，让光线照进来，这时他们看到盒子的四周是白色的，里面还有我的照片。

左：关闭盖子，右：打开盖子。图片由瑞德·阿兰提供。

这里的关键是：如果没有光线进入你的眼睛，你的大脑就会把它理解为黑色。

所有其他的颜色

记住，光是一种电磁波。电磁辐射可以有任何波长，从数百米长的无线电波到只有几皮米（一米的万亿分之一）的伽马射线。我们能看到的只是这个范围的一小部分，大概在400到700纳米之间。我们称其为可见光——或者就叫“光”（尽管从技术上讲，它们都是光）。

我们人类的大脑将可见光谱的不同波长解读为不同的颜色。让白光通过衍射光栅，不同波长的光会发生不同程度的折射，这样你就能看到这些颜色。这是它的样子：

图片由瑞德·阿兰提供

这样你就有了一个很好的色谱，其中红色波长较长，紫色波长较短。这表明白光是彩虹中所有颜色的组合。但是像棕色、品红或青色这些不在彩虹中的颜色呢？事实上，它们不是一个单一波长。

那么我们是如何看见它们的呢？这确实是很神奇的事。我们的眼睛只对三种特定的波长敏感：红、绿、蓝。但是通过将这三种波长进行不同强度的混合，你就可以感觉到任何颜色。

不相信我？事实上，如果你是在彩色屏幕的电脑或手机上看这篇文章，你看到的所有颜色就是这样产生的。屏幕内有一堆超级微小的灯，它们或是红色、或是绿色、或是蓝色（RGB）的。每一盏小灯都可以改变强度，从而组合产生你想要的任何颜色。如果你在手机屏幕上滴一小滴水，它就会像放大镜一样，让你可以看到里面的RGB光。

图片由瑞德·阿兰提供

但是视频投影仪的颜色呢？本质上是一样的。然而，它不是一堆微小的RGB灯，而是将RGB颜色投射到屏幕上的不同位置。

投射黑色

现在我们准备来点好玩的了。投影仪是如何发出黑光的？黑光就是没有任何光，就像我们之前看到的那样。那你需要怎样投射“没有光”？首先，让我们以像电视一样的屏幕为例。如果你有三盏小灯（红、绿、蓝），你可以通过关闭所有三种颜色的灯来形成一个小黑点。哇，它是黑色的！所以，有没有可能你只需要把投影仪关掉，就能让它投射黑色呢？这应该不对吧？如果是这样的话，你就无法分辨投影出来的黑色和没有投影仪时的屏幕之间的区别。但事实上，这就是它的工作原理。

我们来确认一下：在下面的图片中，我放映了一张半黑半白的幻灯片。这张幻灯片占据了屏幕的大部分。

图片由瑞德·阿兰提供

你没有看到黑色，对吧？因为那里什么都没有，房间里的环境光只显示出屏幕。这就是为什么我们需要在黑暗的电影院看电影。所以当达斯·维德在《星球大战》中出现，大步穿过莱娅公主的宇宙飞船时，它只是投影图像中的一个维德形状的洞。他周围亮起的区域使我们的眼睛看到了深黑色的对比。他的热塑性盔甲也反射出了灯光，增加了一些东西在那里的感觉。这给加入黑暗面赋予了新的意义，对吧？

作者：Rhett Allain

翻译：姬子隰

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【互动问题：你还知道生活中有哪些“黑色”吗？它们与屏幕上的黑色一样吗？】

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编辑：7号机

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