因此，颜色科学本质上必须被看作一门心智的科学。

— 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦，《颜色实验》（1855）

从牛顿起人们就知道，白光是彩虹所有颜色的混合。但我们 看到 的颜色是另一回事：它取决于眼睛和大脑。英国医生托马斯·杨在 1802 年提出，眼睛只有 三种 感受器，我们感知到的一切颜色都是这三种响应的组合。这是一个大胆的、没有证据的假说。24 岁的麦克斯韦把它变成了数学。

颜色陀螺

麦克斯韦用了一个陀螺，上面套着几张彩色纸盘，可以露出每种颜色的可调比例：多少红、多少绿、多少蓝。陀螺快速旋转时，眼睛分辨不出各个扇形，只看到一种颜色，即混合色。中间还有一个由其他颜色组成的小圆盘一起旋转。

调整比例时，麦克斯韦寻找使外圈和内盘看起来 一样 的组合。例如，一定比例的红、绿、蓝，会得到与黑白混合相同的灰色。记下每个扇形的角度，他就得到一个 颜色方程，就像代数方程一样：

$$0.37\,\text{红}+0.27\,\text{绿}+0.36\,\text{蓝}=0.28\,\text{白}+0.72\,\text{黑}.$$

这个例子里的数字只是示意，但形式就是麦克斯韦表格的形式。伟大的发现在于，这些方程的行为和代数方程一样：可以相加、乘以数、互相组合，而预测结果与眼睛看到的一致。

颜色是矢量

这意味着一束彩色的光可以用 三个数 来表示，即三种基色光的量，把它们加起来就能模仿这束光：

$$\mathbf C=(R,G,B).$$

两束光叠加，就是两个矢量逐个分量相加。红加绿：

$$(1,0,0)+(0,1,0)=(1,1,0),$$

眼睛看到的是 黄色，尽管混合中并没有黄光。红加绿加蓝，$(1,1,1)$，得到白色。亮度加倍，就是把矢量乘以 2。麦克斯韦把这些颜色画在一个三角形里，三种基色在三个顶点：三角形里的每一点都是一种混合，彩虹的纯色则排在周围的一条曲线上。这就是今天用来校准显示器和相机的色度图的前身。

背后的原因是，视网膜上三种视锥细胞各自对很宽的一段波长有响应。第 $i$ 种视锥对光谱为 $I(\lambda)$ 的光的响应是

$$C_i=\int I(\lambda)\,s_i(\lambda)\,d\lambda,$$

其中 $s_i(\lambda)$ 是该视锥的灵敏度。任何一束光，不论包含多少频率，到达大脑时都被简化成三个数。两束光谱完全不同的光，可能给出相同的三个数，看起来 一模一样。它们叫作 同色异谱，正是因为有它们，一块只有三种像素的屏幕才能显示几乎所有颜色。

第一张彩色照片：一条格子呢丝带，麦克斯韦于 1861 年 5 月 17 日展示。它是把分别透过红、绿、蓝滤镜拍摄的三张黑白照片投影叠加而成的。
第一张彩色照片：一条格子呢丝带，麦克斯韦于 1861 年 5 月 17 日展示。它是把分别透过红、绿、蓝滤镜拍摄的三张黑白照片投影叠加而成的。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦与托马斯·萨顿，1861 · Wikimedia Commons · 公有领域

第一张彩色照片

既然三个数就够了，那么三张照片也就够了。1861 年 5 月 17 日，麦克斯韦在伦敦皇家研究院的一次讲座上演示了这个想法。摄影师托马斯·萨顿把一条苏格兰格子呢丝带拍了三次，每次透过一个滤镜：红、绿、蓝。三张黑白底片由三台幻灯机投到幕布上，每台配着对应的滤镜，叠在一起。观众看到了彩色的丝带。

这是历史上第一张彩色照片，其原理与今天的数码相机相同，相机的传感器上就有红、绿、蓝滤镜。

光不是颜料

光的叠加和颜料的混合不一样。两束光叠加，光子相加，所以混合后更亮：红加绿得黄。两种颜料混合则是 相减：每种颜料吸收一部分光谱，剩下的是两者都反射的部分。蓝颜料加黄颜料得绿色，混合很多颜料得到深褐色。打印机用青、品红和黄三色，正是因为它们靠相减来工作。

练习：把光 (1, 0, 1) 和 (0, 1, 0) 相加，会看到什么颜色？把 (1, 0, 0) 和 (0, 0, 1) 相加呢？

$(1,0,1)+(0,1,0)=(1,1,1)$：三种基色全满，眼睛看到 白色。所以品红 $(1,0,1)$ 和绿色被称为 互补色。而 $(1,0,0)+(0,0,1)=(1,0,1)$ 是 品红，彩虹里没有这种颜色：没有哪一个单独的波长能产生它。

练习：在屏幕上，每个分量从 0 到 255。它能显示多少种不同的颜色？

每个分量有 256 个可能的值，三个分量相互独立：$256^3=16\,777\,216$，约 1 670 万种颜色。即便如此，一些非常纯的彩虹色仍落在屏幕三基色所构成的三角形之外，无法准确显示。

来源： James Clerk Maxwell，“Experiments on colour, as perceived by the eye”，Transactions of the Royal Society of Edinburgh 21（1855）· Ralph M. Evans，“Maxwell’s color photography”，Scientific American 205（1961）· Basil Mahon，The Man Who Changed Everything（Wiley，2003），第 6 章。

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