在這個地球上，能感知到紅外線的動物並不多。其中有我們熟知的蛇，蛇類蝮亞科都具有紅外感受器，大多數蟒科的動物也有。這些蛇在鼻孔與眼之間的頰部每邊都有一個非常明顯的頰窩，正是它讓蛇感受到了紅外線，然後將感受到的紅外線信號傳到大腦的視覺中心，使之可視化。

蛇類能夠看見紅外線；圖片來自網絡

一些魚也能看到，比如鯉魚、羅非魚和鮭魚，這裏稍微提一下，鮭魚是隻有洄游到淡水裏繁殖的時候，眼球內會發生一系列的化學變化，才能看到紅外線。牛蛙也能看到紅外線，不過只限於眼球的下層視網膜中。

而哺乳動物是看不到紅外線的，比如我們人類就看不到紅外線。人類能看到的電磁波輻射範圍一般在390納米~700納米之間，被稱爲可見光，而紅外線的波長在760納米~1毫米之間，緊鄰可見光的長波段。

人眼爲何看不見紅外線？和感光細胞有關

人眼雖然是一個複雜的光學系統，在動物界已經足夠優秀了，但還是存在着一定程度的光學缺陷。

具體而言，在可見光波段，人眼的視覺質量同時受視網膜的細胞結構和衍射極限的限制。光的波長越短，它在眼內介質中折射率越高；波長越長，則折射率越小。對於正視眼，一般波長爲555納米的光線很好的聚焦在視網膜上，而短波段的焦點於視網膜前，長波段焦點於視網膜之後。這使得人眼對555納米波長的綠光最敏感，對波長更短的紫光和波長更長的紅光，則敏感性降低。

當這些光照在人的視網膜上，其光子能量會引起感光細胞內的分子結構變化，從而形成電脈衝（視神經信號），並被傳送至大腦、產生視覺。

不同波長的激光，從上往下波長漸短，而光子能量漸高；圖片來自網絡

那麼，在非可見光波段，又是怎樣的呢？是因爲光線無法照射到視網膜上嗎？

其實，波長在760納米~1釐米之間的紅外線，是可以照射到視網膜上的。人眼看不見它，主要與視網膜上的感光細胞的性質有關。感光細胞的分子構成決定了它只能接收某個能量範圍內（可見光）的光子信號。紅外線由於光子能量過低，無法讓感光細胞產生有效的電信號，也就不會產生視神經信號，也就是說看不到紅外線。

那有沒有什麼辦法能讓哺乳動物看見紅外線呢？答案是肯定的。

納米顆粒，給眼睛裝上“小型紅外探測器”

不知道大家還記不記得高中學過的一個公式：E=hc/λ，λ爲波長，E爲（光子）能量，h爲普朗克常量，c爲光速，也就是說波長越長，能量越小。紅外線的波長大於可見光的波長，因此其能量小於可見光。如果讓紅外線的能量變大一些，是不是就能看到了呢？

事實的確如此。中國科學技術大學的科學家與美國馬薩諸塞州州立大學的研究組合作，利用這一原理進行了一項試驗，首次實現了小鼠（哺乳動物）裸眼紅外光感知和紅外圖像視覺能力。當然，實驗方法遠比一個公式要難：他們給小鼠的眼睛注射了一種由稀土金屬構成的納米材料，這種材料可以長期維持在激發態。

什麼是激發態呢？一般來說，激發態是指一個系統中任意一個比基態（最低能量態）具有更高能量的量子態，也就是說，它具有比系統所具最低能量更高的能量。處於基態的電子在吸收能量（例如光子）後會短暫躍遷至激發態，隨即迅速落回低能態，並釋放出能量（光子）。因此，處於激發態的系統都是不穩定的，只能維持很短的時間，就是一瞬間。更具體地說，短至十億分之一秒。

基態（低能態）電子在吸收能量後會短暫躍遷至激發態（高能態）；圖片來自網絡

但是對稀土金屬而言，這個激發態可以持續百萬分之一秒甚或千分之一秒。雖然看上去也很短，但已經足夠讓它的電子在被激發（吸收紅外光子）到某個高能態之後，再次吸收能量躍遷至更高的能態，並且一直持續下去，直到“攢夠”足夠的能量，一次性回落到基態，釋放出一個高能量的光子。

當科學家把鉺和鐿和ConA（一種從刀豆中提取的蛋白）一同製備成納米顆粒注射入小鼠眼內，這種蛋白質可以幫助納米顆粒附着在視網膜的感光細胞上。注射後，它們會在視網膜上細胞上形成一層均勻而持久的膜。

納米材料在吸收波長在980納米附近的紅外光線後，會將之轉換爲綠光，小鼠就可以看到了。這類似於在小鼠的眼睛裏植入了數以千計的小型紅外探測器。

小鼠視網膜上的桿狀和錐狀感光細胞，上面是納米顆粒；圖片來自《細胞》

當科學家將這種材料注射進老鼠的眼睛後，用紅外線照射它們的眼睛，發現它們的瞳孔縮小了，——這是一種下意識的縮瞳反應，表明它們可以看到紅外線。

接下來，科學家將試驗老鼠放入兩個相連的盒子，一個是黑暗的，一點光也沒有，另一個則處在紅外線之中。

沒有做過試驗改造的小鼠，在正常情況下是不能分辨兩個盒子的不同的，因爲都是黑漆漆的。但對於做了改造的小鼠來說，處於紅外線照射下的盒子就是明亮的，而且亮的可怕。因爲小鼠懼怕這些光線，所以它們大部分時間都會呆在沒有紅外線的“黑池子”裏。

接下來科學家又做了另一個實驗，他們將改造過的小鼠放到一個池子中，在這個池子裏有一個隱藏的平臺，除非小鼠能找到這個隱藏平臺，否則就會沉入水中。小鼠想要活命，就得朝有信號的平臺處移動。而這個信號源正是紅外線。不出意料，實驗結果中只有被改造的小鼠識別出了信號，跑到了隱藏平臺上。

這兩個試驗都證明瞭科學家改造小鼠成功了，他們讓小鼠看到了紅外線。

所以，看到紅外線到底有什麼用呢？

夜視眼或將成爲可能

你一定會想，如果人類也能夠看到紅外線，豈不是超厲害，成爲超人了？沒錯。怎麼說呢？因爲這樣你就相當於裝了一個熱成像儀在眼睛裏，你所看到的物體顏色是隨着溫度而改變的，物體溫度越高，發出的光越明亮、越鮮豔。由於任何只要在絕對零度之上的物體都會散發熱量，會輻射紅外線，不會隨着時間而改變，因此你不會再有黑漆漆的夜晚，一切都是可以看到的。

但也不見得太好，因爲你眼中的世界將會變成另一種世界，比如溫度太高的物體甚至會亮瞎你的眼，你有可能甚至不能直視火鍋了，而那些沒有溫度的無機物，諸如湖泊，紅牆，都會變得暗淡無光。

當然前面說的這些只是該研究領域的一個應用的可能性，就現在而言，這項技術更有可能用於醫學上，比如可以用來幫助激發光敏藥物，對可見光無法輕易到達的地方產生治療效果。

作者 | 蘇澄宇 科普作家

審稿 | 高佩雯 中科院物理所博士

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