光也可以被复制、粘贴？
2022/12/10 7:00:00 科学大院
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加布里埃尔·李普曼(Gabriel Lippmann)回到酒店房间，啖了一口刚送来的热咖啡，小心翼翼而又不失优雅的从壁炉里拿出一块昏黄暗淡的底片，仔细端详。
“还不错，应该可以了。”
他把底片放在前端开口的盒子里，挂在墙上，用一道白光照射，如魔法一般，湛蓝的湖边飘着两座红顶小屋，在黑乎乎的底片上即刻显现。
李普曼的彩色摄影，来源：wikipedia
此时的李普曼已经在旅行中利用他独家发明的彩色摄影技术拍摄了不少照片。下一站，就是斯德哥尔摩，他即将站上领奖台，接受诺贝尔物理学奖。
无中生有
加布里埃尔·李普曼的肖像照，来源：wikipedia
1908年，为了表彰法国物理学家加布里埃尔·李普曼(1845-1921)发明干涉彩色摄影法，瑞典皇家科学院向他授予了诺贝尔物理奖。
虽然李普曼的彩色摄影技术没有在后世广泛普及，时至今日甚至失传，但他的思路和方法无疑具有超越时代的意义，启迪了未来科学成像技术的发展。相较于前人借助染色剂实现色彩在照片上的“集结”，李普曼更相信自然的力量，选择了更“纯粹”的方式，让光来“捕捉”色彩，而且这样的物理成像方式可使得照片保持长时间不褪色。
肥皂泡与彩色照片
“其实背后的原理跟肥皂泡呈现色彩是一模一样的!”李普曼在诺贝尔奖颁奖典礼上说道。
1802年，“光微粒说”已经流行200年，人们普遍认为光是由球形微粒聚集而成。而通过托马斯·杨(Thomas Young)的双缝干涉实验，人们看到光呈现出了“波”的性质，对“光微粒说”产生了质疑，光的“波动学说”就此兴起。
其实二者都能说明和解释光的一些行为和性质，所以现代光学发展出我们熟悉的“波粒二象性”。
光作为波，具有种种特性：光波相遇会发生叠加与抵消，这种现象叫做干涉(Interference)。在叠加与抵消的部分发生强度的重新分配，反映在光波上就形成了亮度的重新分布，出现了明暗相间的干涉条纹。
托马斯·杨的干涉实验记录，来源：wikipedia
阳光下的肥皂泡之所以五颜六色，是由于薄膜干涉与选择性反射(Selective Reflection)。
本来沿直线传播的光在穿过气泡薄膜时发生折射和反射，改变了传播方向，进而光波之间发生干涉。
由于白光中不同波长的光的折射率不同，光波被分散。不同的波长反映到我们人类的感知就是不同的色彩，有些颜色的光波叠加而亮度增强，色彩看起来更明显；有一些抵消减弱，色彩就会暗淡。反映到我们眼中，就呈现出富有颜色变化的“七彩泡泡”。
在肥皂泡薄膜中被来来回回反射的光，来源：科普中国
一颗成熟又好动的苹果砸出了牛顿万有引力定律，而肆意游走的泡泡在破裂之前把色彩投射在照片上。有时，科学的那些突破点竟然就漂浮在眼前的日常之中。
复刻的光
李普曼首先改造了成像底片。将平整光滑的薄玻璃板、感光乳液和水银底板依次层层叠放，将镜头对准玻璃板，而传统摄影的感光乳液则在玻璃板的前方，直面镜头。
当光线穿过玻璃和感光乳液到达水银后，水银像镜子一样，将光反射回来，和入射光波叠加，产生干涉。进行曝光时，感光乳剂发生反应，将干涉条纹“印刻”在玻璃上，这些干涉条纹实际上就是被拍摄物体的颜色信息，此刻的玻璃板充满了人眼无法察觉的条纹沟壑，其实就是被凝固了的肥皂泡膜。
李普曼干涉彩色摄影法基本原理，来源：The True Colour of Photography
当需要观看照片的时候，先将沾有感光乳液的玻璃底片进行冲洗(develop)，将没有感光乳剂的背面涂黑，再用白光由正面从特定的角度照射银版(也可以在自然光下与其呈一定角度摆放)，干涉条纹的沟壑就反射了相应波长的光波，不同色彩即显现。
观看李普曼的彩色照片，来源：youtube
李普曼的自拍照，来源：www.dpreview.com
我们也许可以通过“模具翻模”的过程去理解这个原理。模具一般是用硅胶乳剂等粘性溶液包裹“本体”，待冷却定型后，“本体”的外形轮廓被记录，我们再次将石膏或其他材料注入模具，即可复制“本体”。干涉条纹实际上就可以看做是模具上本体的“负形”轮廓，观看照片时用的白光就相当于复制模型用的材料，我们看到的色彩其实是“复刻”的光。
模型制作翻模，来源：martha.net
1892年，在世界上第一部电影《工人离开里昂的卢米埃尔工厂》首映前三年，卢米诶尔兄弟与科学家们积极合作，研究探索各类新颖的摄影技术。
李普曼也在他们的技术及资金的支持下，与其他科学家合作，完成了三幅彩色摄影作品：一盏彩色玻璃、一碗橘子和一只标本鹦鹉。1894年他完成并发表了整套彩色摄影方法及理论。德国蔡司公司则根据李普曼的彩色摄影法设计开发了一款新型相机和彩色照片观看系统。
李普曼的鹦鹉照片，来源：slideplayer.com
蔡司干涉彩色摄影相机，来源：slideplayer.com
相较于主流摄影成像技术，不论是数字还是胶片，不论是过去还是今天，都只是记录红绿蓝三色光谱并混合来显现万千色彩。
而EPFL(瑞士洛桑联邦理工学院)的研究团队最近发现，李普曼的技术可以捕捉26到64个频段的可见光谱，甚至有些光谱还没有被现代科学所发现。虽然不是历史上第一张彩色照片，却是最特别的。可以说，这种技术直接获取了阳光的色彩，这些色彩更纯粹、更自然。
全息启蒙
在获得诺贝尔奖之后不久，李普曼发表了一篇论文，提出了一种实现立体观感照片的方法。这次，他要升级改造的是19世纪中，欧洲出现的“立体眼镜”，利用左右眼视差而制成的视错觉娱乐装置。李普曼这个想法是最古早的裸眼3D解决方案。
虽然没有机会实现他所预想的成果，但他的这套方案却启发了后人，最终发展成了我们所熟知、具有一定立体动态观感的“光栅立体图像”(Lenticular Printing)。
光栅立体图像， 来源：Sha Hwang
李普曼在天文、计时、测量等领域均有突出贡献。除了发明和科研，李普曼在科学教育方面也颇有成就，双料诺贝尔第一人——居里夫人(Madame Curie)，就是他的博士生。
由于曝光时间过长，观看不便以及不易复制，李普曼的彩色摄影法没有被广泛利用和发展，他的思路却被后代的科学家学习借鉴，在现代干涉成像及光学存储领域，都有一定影响。
而对于我们经常听到的“全息”技术来说，李普曼的这套理论和方法则是“祖师爷”一般的存在。“全息之父”丹尼斯·加博尔(Dennis Gabor)受到他的启发，提出了“全息”的基本理论及全息成像的基本方法。在他之后，前苏联科学家尤里·丹尼苏克(Yuri Denisyuk)则更直接的利用李普曼的思路，更进一步的发明了“白光全息”(White Light Holography)。为了致敬李普曼，这种全息技术也叫做“李普曼全息”(Lippmann Holography)。
参考文献：
[1]Hans I. Bjelkhagen, Darran P.M. Green, “The True Colour of Photography” Susan A. Gamble, Wolfson College, “The Hologram and its Antecedents 1891-1965: The Illusory History of a Three-Dimensional Illusion”
[2] Gabriel Lippmann, Colour Photography, Nobel Lecture, 14 December 1908.GillesBaechler, “Shedding light on 19th century spectra by analyzing Lippmann photography”
[3] Tanya Petersen,Ecole Polytechnique, Federale de Lausanne, “Uncovering the secrets of some of the world's first color photographs”
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Gabriel_Lippmann
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