草色遥看近却无，是眼睛的魔术？

2021-04-09许秀华

科学大众 2021年5期

关键词：人眼草色凸透镜

■文/许秀华

早春呈水部张十八员外·其一

〔唐〕韩愈

天街小雨润如酥，草色遥看近却无。

最是一年春好处，绝胜烟柳满皇都。

古诗里的景致往往需要身临其境，才能品味出诗人描述的奇妙之处。

有一年早春，我去北京航空航天博物馆。远处裸露的黄土地上，仿佛覆盖着一层薄薄的绿色绒毡，就像婴儿皮肤上细软的汗毛。当时“草色遥看近却无”这句诗一下子就涌上了我的心头。当我走到近处，婴儿般的亲切、柔和却逐步消失，美到极致的远景逐渐还原貌似疤痕一样斑驳裸露的黄土地。

春天里，同样在心中吹皱一池春水的是早春的杨柳。远远地，杨柳的树干顶上升起了一团团嫩绿的云雾，随着温暖的气流，轻轻地在空中时而左，时而右，仿佛一组组绿色的团扇舞。然而，当你逐步走到树下，只能勉强地在浅褐色的枝条上找出低调得近乎隐身的叶芽。

为什么会这样？先看右面这两张图。上图是1963年遇刺身亡的美国总统肯尼迪，下图是用很多张上图的缩小版拼成的。而从远处看，我们的眼睛只看到大的头像，完全分辨不出里面的若干张小头像。

似乎我们的眼睛在欺骗我们，其实这不仅和眼睛的结构有关，还和视力的进化适应有关。

不完美的“凸透镜”

人眼就是一个凸透镜，但不是一个完美而单纯的凸透镜。当物体与一个完美凸透镜的距离超过凸透镜焦距的2倍时，那来自远方的物体表面的光线经折射后，会汇聚在凸透镜的焦点上，形成倒立、缩小的实像。这正是在人的眼睛上发生的事情。外部物体投过来的光线经晶状体折射后，聚焦在视网膜上。可见，人眼这个凸透镜的焦距是极小的，外部的物体基本都能满足物距大于2倍凸透镜焦距，成倒立、缩小的实像的要求。

同学们想一想，为什么必须在视网膜上成倒立、缩小的实像呢？因为如果实像大于或等于原物体，我们的视网膜得长多么大，这需要多么大的一张脸才能放得下！而为了巨大的脸和眼睛，我们又需要多么大的躯干和四肢来支撑！

外部的物体不管多大，都要在视网膜上形成一个小小的倒立实像后，被编码成电信号，经视神经传递到大脑的视觉中枢，被大脑感知，如此才形成视觉。在同样的距离上，大的物体在视网膜上形成大的实像，小的物体形成小的实像，因为大物体相对的两个边缘（上下或左右）之间与眼睛的夹角大，小物体的边缘之间与眼睛的夹角小。同样大小的物体，当物体距离较远时，物体边缘与眼睛的夹角小，在视网膜上形成的实像小；当物体距离较近时，物体边缘与眼睛的夹角大，在视网膜上形成的实像大。

不同大小的实像，占用的视觉细胞数量不同，所包含的像素也不同。大家爱用手机随手拍，却未必能说清楚什么是像素。简单地说，像素就是一个画面里所包含的视觉元素的总数。像素高的图片，细节清晰；像素低的图片，细节模糊。这就是会出现“草色遥看近却无”的原因。远看，初春巨大的草地在视网膜上组成一个实像；近看，草地的某一个局部在视网膜上组成一个实像。假设两个实像一样大，远看时，绿色的萌芽和周围的黄土可能共同占用一个视觉细胞。由于我们的眼睛对绿色更敏感，视觉细胞可能会在编码电信号时，被编码为绿色，这样大脑就接受为绿色。而近看时，绿色的萌芽和周围的黄土可能会分开占用不同的视觉细胞，不同的视觉细胞为萌芽和黄土编码不同的电信号，于是我们的眼睛就看到了裸露的黄土，上面镶嵌着绿色的萌芽。同理，也可以解释上面的肯尼迪照片。在远视和近看时，成像所占用的视觉细胞以及编码电信号可能会有区别。

复杂的视觉系统

而实际上，人眼的视觉远比凸透镜复杂。比如，在做证券交易的人群中流行双屏幕电脑，一个人要面对两个电脑屏幕，处理两个电脑屏幕上出现的信息。或者在各种用途的监控室里，一个人要同时面对9块甚至更多的显示屏。毫无疑问，一个人能同时看两个甚至更多屏幕。然而，这个人具有同时分析出各个屏幕上信息的能力吗？

人眼有中心视力和周边视力。人类眼球的后部内侧有一个很小的凹陷，富含叶黄素，比周围的视网膜颜色深一些，叫作黄斑。黄斑中央的凹陷称为中央凹，这里分布的主要是视锥细胞，是视网膜上唯一能够保证100% 清晰成像，即视力最敏锐的部位。这一部分构成我们的中心视力，我们大脑的注意力在哪里，就会用中心视力去扫描、跟随、凝视哪里，即不仅“看”，还能“看见”，继而形成分析、理解和记忆。

而视网膜的其他部分主要是视杆细胞，构成我们的周边视力，可以用于“看”。但因注意力不在那里，大脑未必去分析、解读，即未必能“看见”。所以，我们的眼睛并不是像照相机、摄像机那样机械地记录信息，而是对信息有取舍、有加工，取舍、加工的目的是去粗存精，加快大脑分析外部视觉信息的速度，快速形成视觉意识，从而让身体做出相应的反应，趋利避害。

在视神经穿越视网膜的地方，还存在一块盲点。这样，人眼的初始视野其实是两块画面被挖去了两个洞洞的重叠圆形画面，这显然和真实的世界是不同的。这个初始视觉信息要经过大脑的剪裁加工，才能如实地反映真实的世界图景。大脑对初始视觉信息的剪裁加工能力，来自我们在过去的视觉经历中逐步形成的智能算法。目前，还没有任何一种人工智能的图像处理技术可以与这种算法相媲美。

人眼和现在的手机哪个像素大、分辨率高？人眼的分辨率应该在700万像素左右，手机显然在这些硬件指标上远远超过了人眼。然而，人以及很多动物大脑中视觉中枢的图像处理能力，却远超过手机。我们可以很诗意地感受到“草色遥看近却无”，在手机中却是一张拍模糊的差图。

你能认出这是哪里吗？

为什么毛巾越用越薄却越来越硬？

这种现象是由多种因素造成的。有些自来水中可溶性钙镁化合物含量较高，水中的钙、镁离子可以与肥皂中的脂肪酸钠相互作用，形成不溶于水的钙、镁脂肪酸盐附着在毛巾上，导致毛巾变得越来越硬。

此外，自然风干的晾晒方式也会对毛巾的硬度产生影响。微观上，棉毛巾由棉单纤维组成。由于水的表面张力，纤维之间存在毛细作用。因此，在晾晒过程中，纤维间的距离会随着水分的降低变小，但仍会有约8%的水以结合水的形式留在毛巾上，这样形成的棉单纤维交联结构让毛巾的硬度发生改变。

要想让变硬的毛巾恢复柔软和蓬松，通过加热，除去毛巾中的结合水即可。

泡茶时，茶叶为什么是立起来的？

茶叶的原料是茶树新生的嫩叶，由叶柄和叶片两部分构成，其背面通常密生茸毛。嫩叶被采摘之后，经过炒青、揉捻、干燥等步骤制成干茶。

尽管干茶的密度与外形、老嫩等因素有关，但在一般情况下，其密度与水的密度相近。因此，一些茶叶会先漂浮在水中，随着不断吸水而渐渐下沉，最后优雅地躺在杯底。

那为什么悬浮的茶叶会呈现“竖立”的状态呢？一方面是因为叶柄的密度通常比叶片的密度大；另一方面则是叶片背面密生的茸毛在捣乱：水中的气泡会吸附在茸毛上，导致叶片除了受到水的浮力之外，还有气泡提供的竖直向上的作用力。同时，密布的茸毛还会降低叶片的吸水速率。因此，在泡茶时，茶叶通常会以叶片在上、叶柄在下的姿态立在水中。