动物界的光学大师

卓然

动物界的光学大师

卓然

看看路口的信号灯、城市的霓虹灯、家中的照明灯，这一切都显示了人类对光的控制，这也是两大现代技术的结合——放射高纯度、高强度光束的激光，以及能够将电波传送到世界各地的光纤维。乍一看，光控似乎是一项属于人类的独一无二的壮举。

我们一直过于自信地认为，只有人类才能随心所欲地控制光，让它为我们所用。不过，动物对光线的理解与应用其实一点也不比我们差，客观地说，它们才是真正的光学大师。动物早就掌握了各种控光方法，它们对于光线的分层、棱块以及扭曲的理解比人类更深入，人类也从它们身上得到了许多关于光学的启发。

动物的光

孔雀开屏，炫耀尾羽，其实是它通过羽毛上的一些细微沟槽结构，把太阳的光波逐一分解，并分类成各种色带来实现的。

南美大闪蝶之所以能发出绚烂的蓝光，其实是基于它自身的一种光学设计。这种昆虫翅膀上的鳞片间隔有致，可使红色光波消失。通过这种形式的光波过滤，人类的肉眼只能看见呈现铁蓝色的光波。

甚至连维纳斯花篮——一种海绵，也拥有一套复杂的控制光的系统。作为最原始的动物之一，它的骨架就是一个光导网络，这个网络可以将集中于其身体核心部位的光散射到身体的所有表面。

动物对光线的理解与应用完全是漫长的进化使然，是严酷的自然规律在起作用。雄孔雀依靠精美的羽毛来赢得配偶，如果它不能引起雌孔雀的注意，就不能繁殖后代，延续基因。南美大闪蝶有着强烈的领地意识，它们必须通过炫耀自身的色彩来宣示“主权”，并以此守卫自己的食物和配偶。

不过，生物学家对维纳斯花篮所拥有的独特的活体光纤系统的作用，仍然迷惑不解。有的科学家认为，该海绵可能是通过系统不断吸收会发光的共生微生物，并将这些微生物聚集到一处，形成微型的聚光灯网，从而吸引食物。

有的时候，自然界的一些光学小花招是作为其他进化革新活动的副产品而偶然产生的。水中的软体动物由于有了保护壳而受益匪浅——它们的保护壳必须坚硬结实，并且只需要利用海水中可获得的营养物质即可形成。这些软体生物通过交替使用碳酸钙层和胶样蛋白质层来建构它们的壳。奇怪的是，这些轮换层起到了微型棱镜的作用，使得它们反射的光有了斑斓的色彩。

真正的大师

面对这些生物操纵光的本领，就是造诣颇深的光学家也会肃然起敬。19世纪，物理学家约瑟夫·冯·弗隆霍亚利用孔雀羽毛上的沟槽结构分离光的原理，发明了衍射光栅，来分辨太阳光的属性。受到维纳斯花篮的骨架传导光的启迪，科学家制造出现代光纤。通过研究南美大闪蝶有选择地添加或减少某些光的波长来生成色彩的原理，物理学家在最近设计出了光子能带隙晶体，并正在尝试把它们用于电话交换机、太阳能电池和天线上。

目前，光学家把研究的焦点集中在南美大闪蝶的翅膀上。南美大闪蝶的翅膀虽然呈绚丽的蓝色，但是近距离观察却会发现，其内在的色彩却是黯淡的灰褐色。这种双重性，表明南美大闪蝶产生颜色的原理与玫瑰完全不同。由于含有某些特殊的化学色素，玫瑰的花瓣完全吸收了蓝色和绿色的光，只留下红色成分反馈给人眼。然而，南美大闪蝶的蓝色则产生于一套完全不同的机制，它的翅膀有着可以发挥衍射光栅作用的结构，其表面排列着整齐的沟槽，沟槽间隔的大小和可见光的波长一致。

飞翔在阳光下的南美大闪蝶是那么明亮夺目，以至于1千米以外的人都能看到它。为什么它需要那么艳丽的蓝色呢？科学家至今疑惑不解。也许只有先破解了这个谜题，我们才能尝试着模仿它的翅膀结构吧。

还有，随着时间的推移，南美大闪蝶的蓝色不但不会日渐消退，反而会更加明显。面对这样的色彩规律，即使是最高超的光学大师也自叹弗如。形形色色的动物正在逐渐改变人类的观念，或许真正的光学大师正是它们。