為什麼人類看不到波長在 380 到 760nm 範圍之外的電磁波？

11-28

我想知道是什麼原因導致人類不能看到可見光以外的「光」，因為光的實質是電磁波嘛～
我自己也猜想過以下幾種理由，不過畢竟沒有理論依據，望專家解答：
1.不可見光對生命機體有損害作用，無法形成可見光的感受器官。
2.人類天生各方面不如動物，能看到的光的範圍狹窄(動物可以看到其他光)。
3.可見光與不可見光有著本質的物理屬性差異(感覺不太現實)。
4.可見光足夠生存了，所以機體沒有必要進化出能夠看到所有光的器官。
5.。。。。。。。。。

不僅是人類, 其實絕大多數動物所能看見的光譜範圍, 都是在可見光左右的.
雖然有些動物看到的光譜範圍比人類要廣, 但是也有不如人類的, 比如嚙齒類動物.

主要原因就是太陽光的光譜範圍, 即使是全光譜, 其能量分布是不一樣的.
如果把太陽輻射理想化為黑體輻射的話, 其能量密度與波長的關係如下,

可以看出能量密度最大的地方就在可見光周圍了. 紅外線次之.

所以說, 對可見光區間的視覺識別會比其他波長敏感很多. 因為輻射強度大, 對物體產生的漫反射很容易識別, 對明暗的感知, 對顏色的感知都比其他波長要優勢得多.

(紫外線識別對生物是不可能的, 因為那個波長範圍估計什麼化學鍵都被切斷了, 不用說別的, 養魚的海水都是用紫外線燈來實現完全無菌的)

(紅外線的話, 對夜行性生物幫助會更大一些, 但是對我們這些白天出來活動的動物來說, 還是可見光靠譜點...不用說別的, 就白天那些變溫動物和周圍環境近乎為零的溫差, 就足夠被低等生物打伏擊戰了)

我是搬運工。我隨便檢索了一下，的確有一篇論文叫做「why can we see visible light」
（Zdenek Bochnicek, Physics Education, Vol. 42, No. 1, pp. 37-40, 2007）
link: http://iopscience.iop.org/0031-9120/42/1/002/pdf/0031-9120_42_1_002.pdf
因為我不是這個專業的，我不打算展開翻譯了。下面大概總結一下文中提到的幾個原因，希望有更加專業的人，能夠系統地總結一下這方面的內容。
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Solar Radiation//太陽輻射
這一點和得票最高的回答基本一樣，也就是太陽光中，可見光是最主要的成分。

Absorption in the Earth"s atmosphere//大氣層對太陽光的吸收作用
大概說的是地球大氣對於可見光兩側的長波短波吸收都比較厲害，而對於可見光的波段吸收係數很低。

下面是兩個我們不能看見超短波長的電磁波（far ultraviolet region）的原因。
Photon detection is impossible//難以實現（超短波長的）光子探測
大概是說光子應該能夠被整個吸收，而離可見光較遠的紫外線的光子能量很大，這樣需要一個可逆的化學過程（以及化學鍵）來實現，而這樣的化學鍵不太可能存在。（結合了個人理解，大家可以看原文。）

The eye lens cannot create an optical image on the retina//（對超短波長的電磁波，）眼光學系統難以成像於視網膜
這一段講的是各種波長的折射率（refractive index），與在眼睛（整個光學系統）內成像關係。對於eye lens，可見光的折射率一般是1.4左右，而其他的短波，一般就是收斂在1。圖3反映了石英石的折射率和波長的關係。

下面是我們不能看見超長波長的電磁波（far infrared region）的原因
The human body itself emits infrared light//人體自身發出紅外波
大意是，所有物體都會向外輻射（radiation，所以輻射是普遍存在的），而在500℃以下，電磁輻射一般是在紅外區（infrared region），如圖4所示。既然我們能夠輻射紅外波，那麼這些自身的輻射就會干擾我們對於其他波段的紅外波的接受。但是，自然界中一些動物，它們有特殊的器官來探測紅外波，因此對於它們而言，紅外波是「可見的」。但其實這個能力也是比較有限的，詳見原文。

Visual acuity is limited by diffraction//視敏度被衍射所限制
光/波具有衍射能力，而一束長波射入瞳孔（pupil）時，容易發生衍射，難以聚焦（如圖5所示）。

其中，d是發生衍射後形狀的小點的直徑；lambda是波長；f是焦距；D是瞳孔直徑。
由上式可以看出，焦距和瞳孔的特徵尺度幾乎是常量，而隨著波長增長，d會越來越大，導致成像不清楚。（這一段也簡潔地討論了昆蟲的複眼和進化之間的關係。有興趣的同學可以閱讀原文。）

總結：
1，太陽輻射能力最主要集中在可見光區域
2，地球大氣層對於可見光區域是「透明的」
3，可見光光子的能級與化學鍵的能量相當，因此可見光能夠通過化學變化來探測
4，在可見光區域，電磁波的折射率充分大於單位1，從而有利於形成有效光學系統（如眼睛）
5，人體可以發出紅外輻射，為避免眼睛感光過渡（overexpose），對於紅外波段，眼睛是不敏感的
6，短波更難發生衍射，從而在視網膜上的成像邊界不會互相干擾；而長波/紅外波，衍射強，難以形成高質量的像。以上是文章中的觀點。它闡述了一些事實，說明為什麼眼睛（包括大部分其他生物）不能接受其他波長的光，而僅能接受可見光。
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我沒有找其他文章，也不打算找其他文章了。我也不是專業學光學和，所以也很難分辨哪些文章研究的更加詳細透徹。希望有這個方面的專家進行深入解釋吧。在此我就當拋磚引玉。

題主應該是問為什麼可見光會是這個鬼區段吧……因為根據太陽光的輻射譜：

400-700 區段是地面附近輻射功率最強的一段。
而且，這個區段幾乎避開了所有簡單物質能造成強烈吸收的區段，也就是說許多常見的物質——比如空氣和水——在這個區段是透明的，對於視覺來說無疑是個極大的幫助。

水的吸收譜——在 VIS 區段的透明度最高

人眼中有2中視覺細胞——視桿細胞和視錐細胞；前者負責感受光的強弱，後者負責感受顏色。視錐細胞分為三種，分別感受紅藍綠三種顏色的可見光，吸收峰值分別為580nm,540nm,440nm.而我們大腦中呈現的顏色圖像包括了可見光的全光譜，正是由於這三種感受光的細胞的感覺相疊加的作用。比如黃光作用於視覺引起黃色的感覺。就是由於紅綠兩種視錐細胞同時興奮而藍色視錐細胞不興奮的結果。也就是說，如果我們有更豐富種類的視錐細胞，我們就能拓寬可見光譜到紫外和紅外區。

自然進化的結果，人類的生存和發展不需要肉眼可以看到可見光外的電磁波。

票數第一的張天一回答的很好了，我再來補充一些內容：

人眼是由感光細胞來感知光線的，不同的波長對應不同的細胞。如果需要感知其它光譜，那麼就需要與之對應的感光細胞才行。而這樣的話眼睛就會消耗更多的能量，從而加重對人體的負擔。生命進化的過程從來都是去粕存精，只留下有用的器官，多餘的就會去掉。所以在很久之前的某個時候，即使我們有些特別的功能，但用不上的話也會被進化淘汰掉。

本人也很好奇這個問題的答案。你的幾個猜想挺有趣的。我先來根據你的幾條猜想說說我粗陋的觀點吧。也許你都知道了，請勿見笑
1. 光（或者說電磁波）本身就是能量。光的波長（顯示在可見光就是光的顏色）決定了單位能量的大小。從這個角度上說，偏向紫外方向的光波長更小，能量更大，也就更有可能對人體造成傷害。如果說光的能量太大了，可能的確會打斷有機分子鏈，也就讓生命沒有機會產生。但波長高，能量小的電磁波不會造成那樣的影響。
2. 生物接受視覺信號，感知顏色用的是視錐細胞。這個東西，人類有3種，接受信號的峰值分別在紅綠藍，分別會給大腦發射一種信號，所以我們看見的顏色就是由這三種信號的分配比例混合而成的。動物的話，貌似有多的也有少的。據說神奇的皮皮蝦有16種視錐細胞，很好奇他們眼中的世界是什麼樣的……可以確定皮皮蝦看見的顏色的確會比我們多，但是我也不確定它們對光的觀測範圍是否會更大。
3. 可見光與不可見光之間的物理差異這個……應該說，根據發光的機理不同，光和光都是有物理差異的。比如說。同樣是532nm的綠色光，如果是從樹葉上打過來的，你看著會賞心悅目。如果是一束0.5 W的激光，你看著可能會覺得刺眼，有點鬧心。如果是5W的激光直接打到你身上，你會疼的尖叫。人類的眼睛裡的視錐神經有波長接受範圍，也有光強安全使用範圍。
4. 這一點我個人感覺比較靠譜，但是我也沒想明白人和狗的生活環境有什麼區別，但是狗的視錐細胞只有兩種，不知道上天為何如此不公……
另外，題主提醒了我一點。我們是否希望眼睛能看到全波長的光呢？從物體的熱輻射到宇宙中漂浮的高能射線。如果真的那樣，這世界會不會雜亂無章，變幻莫測，讓人無法忍受呢。也許正是進化讓我們的眼睛適當的調整了敏感度，讓我們能輕易的找到食物，而不會被與生存無關的事物所分神。
以上就是我的觀點了，真心喜歡這個問題，希望能拋磚引玉吧。

取決於化學鍵的本質。
任何細胞感光的能力來自於感光分子對光子的響應，和對這一響應的有效化學傳導。
其中，響應的本質是吸收光子影響了分子的能級，從而使分子發生某種變化：從振動能級的變化，到化學鍵的破壞不等。但是由於生物體系是以水為介質，對自由基、裸露強鹼（如碳負離子）等高活性中間體不友好的軟化學環境，因此儘管感光分子能夠響應能量特別低或特別高的光子，這樣的響應仍無法被轉化為穩定的化學信號：分子振動能級的變化不能有效的從感光分子傳出，而化學鍵的破壞會在感光的細胞器內引起不可預測的後果，甚至破壞生物膜導致全細胞器感光能力的喪失。
這樣看來，生物無法看到遠紅/紫外圖像的原因就可以理解了。紅外線的能量過低，沒有可靠的物理途徑將感光分子感受到的紅外線傳遞給下游的生物化學過程，最終轉化為可被其它神經細胞接受的電化學信號；紫外線的能量過高，可能破壞感光分子，導致其不可逆的失活。如果能量再高，直接電離光路上的非感光分子也是有可能的：比如細胞膜的磷脂、甚至細胞介質中的水。退一萬步講，即便存在能忍受如此高能量的光子的生物感光分子（但生物感光分子中必然存在的C=C雙鍵使這類分子從邏輯上就不可能存在），細胞也不能容忍這樣的光子進入。
基於以上的分析，保守地說，波數大於1200cm-1或波長低於200nm或的紅外/紫外光，因為化學鍵的基本性質和生物化學環境的基本性質，不太可能被生物所感知：事實上，遠紅外主要產生熱效應，遠紫外則令所有生物唯恐避之不及。請注意，這一條件的限定是生物化學環境：離開軟化學環境，進入對高能量/低能量中間體友好的其他化學環境，如固體和晶體，即使是生物分子，穩定的化學響應還是能夠做到的。或者，引入對高能量光子具有更強容忍能力的其它化學鍵，例如X-M（非金屬-金屬）多重鍵，這些光學信號也能被轉化成穩定的化學信號，在存在合適的下游反應時，能被更進一步地轉化為神經元可以處理的電化學信號。所以我在一開始提出的主旨可以進一步地被解釋為，構成生物分子的C/H/O/N的成鍵性質決定了什麼樣波長的光可以被感知，什麼樣的則不可以。
而人之所以將這一閉區間進一步縮小到380~760nm，更多是由於其他答主所提到的進化要素。

因為地球生物屬於低-能級生物，所以只能感受低-能級的電磁波

波長太短的從你眼睛穿透過去，或者和眼睛中的各種原子發生光電作用了；
波長太長的和你眼睛裡面的各種分子共振了。
只能看到某一波段的光，正是由於組成我們眼睛的各種原子分子的性質所決定的呀

很奇怪為什麼諸位都完全忽視了「人擇原理」。
所以根本上講，上述各位尊敬的答主過於複雜化了這個問題。

正確答案是一個看上去很冷的句子：
我們之所以稱之為「可見光」，正是因為我們剛好能夠看見這部分電磁波。
如果你看見的現在我們稱為紅外線的部分，那人類就一定會把這部分也命名為可見光。

總之，從邏輯上，人類不可能看見不可見光部分。
因為人類一旦看見了，他們就不被稱為不可見光了。

各種動物能夠識別的電磁波譜範圍就各種不相同，如果這個問提問來自一隻老鼠，題目一定是這樣：
「為什麼我們鼠類看不見灰褐色以外範圍的電磁波。」
然後也許我們都會從太陽能量多麼合適，物體輻射光波多麼精巧，鼠類的生物構造如何如何去論述了吧。

原因是人類生活在地球，主要的光源是太陽，太陽的光譜中可見光的這個波段的輻射是最強的，由此人類（以及絕大多數地球有視力的生命）進化出了接受此波段的接收器官也就是眼睛。於是在發現光的電磁波本質之後於是起了「可見光」這個名字。另附太陽光譜如下，摘自wikipedia詞條，太陽光：

因為可見光，才叫可見光

2016-02-05

這裡我們不玩邏輯的詭辯，純粹從科學角度來討論：人類為何看不見可見光以外的電磁波？我們分別從「紫外線」及「紅外線」的部分來解釋。而具備這些可看到非可見光生物的特質，追究其原因就是為了「活下去」。

光由各種顏色的光譜組成 (圖 1)。可見光為紅色到紫色，在這之外是紫外線。人們知道很多動物都能看見紫外線，包括昆蟲（比如蜜蜂）、鳥、魚、一些兩棲動物和爬行動物，還有少數哺乳動物（比如某些老鼠、鼴鼠、有袋動物和蝙蝠）。人眼的水晶體阻擋紫外線，但對於水晶體能透過紫外線的動物來說，紫外線則被視網膜轉化為神經信號傳遞給大腦，為視覺系統所感知。能看見紫外線的確有幾種用處。蜜蜂等昆蟲用它分辨植物的顏色和樣式，以指引它們找到花蜜。嚙齒動物用它跟蹤尿跡。馴鹿可能用它看到北極熊——在可見光下，北極熊融入雪景難以分辨。

眼睛有許多種天然的保護紫外線輻射的作用，使進入眼內的 UV-B 只有一小部份。在靜態的防護機構上：眼球的橫向排列方式，眼窩的凹陷構造，可以有效的減少全天域的紫外線輻射量。在解剖學上，突出的眉毛、鼻子、臉頰，也可以部份阻擋各方向來的紫外線。在動態的防護機構上：對自然亮光有皺眉、瞇眼的動作，以及當眼臉遇到瞬間強光，會有自然的眨眼反射動作，在眼睛內部也有瞳孔遇光的收縮反應，可提供進一步的保護作用。此外，戴用遮陽帽或太陽眼鏡也可以減少紫外線幅射量。一般來說，眼睛接受到的紫外線量比率大約為環境中的 7% 至 17%。

角膜可以吸收將近全部的紫外線 UV-C (波長 290 nm 以下)，但是對於較長的波長部份的紫外線光波，透過性會急速增加。例如 320 nm 的紫外線光可透過 60%。水晶體則可以進一步吸收大部份進入眼內的紫外線，年輕人的水晶體可以吸收波長 370 nm 以下部份的紫外線，隨著年齡變長，老年人水晶體變成黃褐色可以吸收更多的 UV-A 及較短的藍色光波。對成年人來說，到達視網膜的紫外線光波在 320 nm 至 340 nm 部份只有 1%，在 360 nm 部份只有 2%。

更應該問的是為什麼人眼要擋住紫外線？一種可能性是紫外線會損傷視網膜，但很多長壽動物都能看見紫外線，而眼睛卻沒被燒壞。另一種可能性更大的解釋是，過濾掉紫外線可以提升視覺的銳度。這些研究人員發現，眼球水晶體擋住紫外線的動物也是視力清晰度最高的動物。

接著談到紅外線。閱讀任何一本教科書，都可以得到相同的概念：「紅外線」對於人類來說，是不可見光，舉例來說 x 光、微波這些光，都在人們可見光的波長範圍之外。然而，這個想法卻被由美國華盛頓大學聖約翰醫學院所領導的國際性
(包含來自挪威、瑞士、波蘭等地的學者) 研究團隊在 2014 年打破，他們發現，在某些特定的條件之下，視網膜可以偵測到紅外線，他們的文章發表在 Proceedings
of the National Academy of Sciences （PNAS）上。(圖 2) 為視網膜在不同波長光源下的吸收率 (transmission) 與傳導率 (
absorption)。在波長 0.4um 到 1.4um 的區間內，視網膜有一定的吸收率，若曝光量過多，將產生視網膜灼傷，所以又稱為『視網膜傷害區』。而角膜在 IR-A (紅外線A) 波段（&< 1.4um）的紅外線區段內吸收率很低，波長接近 1.4um 時（IR-B 紅外線 B 及 IR-C 紅外線 C 波段），角膜對光的吸收性變大（圖3）。角膜和房水會吸收照射於眼睛內的輻射熱能，若曝光量過大就會產生灼傷。另外，角膜對溫度相當敏感，高功率的紅外線會引起眼睛劇烈的疼痛感。

只有四種哺乳動物已知擁有能夠探測紅外線的「第六感」，它既被用於捕食目的，也被用於熱調控目的。這些動物包括三種有遠親關係的蛇（頰窩毒蛇和兩種蟒蛇：英文名稱分別為 python 和 boa）及吸血蝙蝠。調控這一感覺的「頰窩器官」從解剖角度和行為角度都受到了廣泛研究，但對紅外線探測能力背後的信號傳導機制或所涉及的分子人們卻知之甚少。但這比較像「感應」，而不是「看到」。

反而是「螳螂蝦」擁有動物王國最複雜的眼睛，而且它的眼睛非常特別，能分辨幾種類型的光線，包括紅外線和紫外線等。這種甲殼類動物有著非同尋常的視力，它的色覺
(color vision) 絕對比人類略勝一籌，能夠分辨出 12 種顏色，探測出 6 種光震現象，能夠通過眼睛的三個不同部位看物體。而且這種甲殼綱動物的視覺具有先天優勢，能看見偏振光 (polarized light)，目前除螳螂蝦外還沒有任何一種被人們所認識的動物能看見這種光線。因此它們的視角是多部位、多角度的視圖。

主司哺乳動物看見這個世界的，是眼睛視網膜上的兩種細胞：桿細胞、錐細胞。桿細胞能夠察覺到微弱的光線，卻對光線是什麼顏色（波長頻率）不在行。至於錐細胞在較強光線下可以感知色彩，例如人類有三種錐細胞，對應「光線三原色」的辨認；鳥類的錐細胞有四種，因此比人類多見識一些不可見的顏色。過去科學家認為小型蝙蝠在晚上活動，視力只需要依靠「光線強度」不需要「辨認色彩」，以為小蝙蝠「有桿細胞沒有錐細胞」，後來研究卻發現牠們也能夠看得到！

動物擁有的感官的確非常奇妙，想想這件事，豈不令你懍然生畏，讚嘆不已嗎？我相信這些功能都是演化的結果，對於我們的生存是沒有必要的功能都會被淘汰掉。

這是個光視覺生理的問題，以及一些物理學、進化方面的問題。
直接的答案是，這是由人眼視網膜上感受光的視錐細胞中的色素（光對其直接產生作用）的光譜敏感性決定的。
人眼視網膜上感受光的有視桿細胞和視錐細胞。一般認為視桿細胞負責暗光視覺。其波長敏感曲線如下（峰值498 nm）

顏色視覺一般認為是視錐細胞負責的，因為人類有三種視錐細胞，分別表達敏感光譜範圍（根據敏感峰值波長分為短S，中M，長L）不同的感光色素，形成三色光視覺。S（420 nm）、M（534 nm）、L（564 nm）對應於紅綠藍，從下圖我們能夠看到，1每種光感受細胞其實感受一個光譜範圍，2峰值波長並未完全對應於紅綠藍。

回答問題，無論是視桿細胞還是視錐細胞，其色素的感光範圍大概是380~760nm。之外的波長不能被視覺感知到。
眼中除了感光成像的視錐、視桿細胞之外，1990年代人們發現光敏感視神經節細胞（ipRGCs），不夠其敏感光譜在大約480nm左右的可見光區。
最新的研究甚至解釋一種可能，紫外對皮膚的照射也會對人產生心理上的影響。
當然要回答更大的為什麼，可以從進化的角度看。簡單地說，如果有色素一般都可能感光。從古細菌到細菌、藻類（其中一些感光蛋白近來被發展用來用光來控制神經元的活動，產生一門光遺傳學）、植物、動物都有。光譜範圍也從紫外到紅外。如果要更大的問答，則需要探討外星生命，生命起源。參考資料：
Color vision
Photoreceptor protein
Skin β-Endorphin Mediates Addiction to UV Light: Cell
Intrinsically photosensitive retinal ganglion cells
Scotopic vision
Optogenetics

從哲學角度講，確實是以人類能看到的波段命名為可見光。
從科學角度講，人眼的感光細胞決定了人眼對光波段的敏感度。這很大程度上是自然選擇的結果

有些人天生視力障礙，是不是有可能並不是看不見，而是變種人，能看到普通人看不到的波段，而這些波端太複雜，阻礙了可見光波段的成像，然後就被武斷的診斷為眼盲了

因為夠用了

現有光，後有人，大部分的紫外線被臭氧層吸收，也就是說人類是在無紫外線的環境中進化而來，所以看不見紫外光。
紅外線能不能被看見？如果人類的瞳孔足夠大，我猜測可以看見紅外線。但是人的瞳孔就是那麼小，沒有辦法。

我覺得和人類進化史上的「實用性」有關。
我們不需要夜視能力，因為我們的祖先在樹上，後來下到地面有了巢穴和工具，這使得我們對「夜視」的能力並無多少苛求，所以我們看不見紅外線。紫外線就更扯了，自然界唯一紫外光源就是太陽，我們不需要藉助紫外線也可以判斷太陽的位置和照射強度。
歸根結底，我覺得我們之所以把不必須的都淘汰，是因為我們的大腦是有限的。每增加一點波長，意味著大腦處理圖像的能力就需要增強，我們的大腦發展到今天已經達到了遠遠超出同類的地步，再為這種不必須的能力拓展大腦怕是很難吧。