藍色的鳥和藍色的蝴蝶，為什麼是藍的？
― 把羽毛磨碎，藍色就消失了
紅色的羽毛磨碎後，還是紅色的粉。但藍色的羽毛磨碎後，出現的卻是灰暗的灰色或褐色粉末。許多藍色的鳥和蝴蝶，其實並沒有藍色的色素。藍色不是來自「顏色的材料」，而是來自羽毛裡細小到肉眼看不見的「形狀」。
河邊的樹枝上，一隻翠鳥倏地飛起。牠的背部閃耀著寶石般的藍。圖鑑裡看到的南美洲大藍閃蝶，也閃著金屬般的藍光。
但是，把在公園撿到的松鴉藍色羽毛對著窗邊的光透看，藍色不知跑到哪裡去了，看起來只是樸素的褐色。
如果是上了色，不管從哪邊看，顏色都該一樣才對。為什麼只有藍色的羽毛，換個方向看，顏色就不見了呢？
看起來是藍色，原因是兩種「形狀」
蝴蝶的鱗片裡，有許多和光的波長差不多厚的薄板，隔著空隙一層層疊在一起。每片薄板反射回來的光，只有波峰對齊的那種顏色，會被強烈地反射回來。
翠鳥等鳥類的藍色羽毛裡，據說有許多只有頭髮粗細數百分之一的空氣泡，以幾乎相同的間隔密密排列。只有符合這個間隔的藍光會互相增強，從羽毛裡射出來。
這兩種都不是塗上顏色的材料，而是用形狀來利用光這種「波」的性質。所以形狀一被破壞，藍色就消失了。
蝴蝶的藍：用薄板讓「波峰與波峰」對齊
太陽的白光裡，混合了從紅到紫、波長各不相同的光。肥皂泡的薄膜看起來像彩虹，是因為薄膜表面和背面反射的光疊在一起，只有某種顏色會互相增強。
據說大藍閃蝶的鱗片，就是把這種結構重疊了許多層。請看圖 1。當薄板之間的間隔剛剛好，每片薄板反射的藍光，波峰與波峰都會對齊，一起射出去。紅光則是波峰與波谷互相抵消而變弱。
把圖 1 的滑桿往右拉，顏色會從藍變成綠。事實上，已知把酒精滴在大藍閃蝶的羽翅上，空隙被酒精填滿，藍色就會變得偏綠；等酒精乾了，又會變回藍色。這正是顏色由「形狀」決定的最好證據。
由薄板重疊產生的顏色，會隨觀看角度而改變。因為從斜向看時，光穿過薄板的路徑長度會不同。鴿子的脖子和吉丁蟲的翅膀會隨角度閃出不同顏色，一般認為也是同類的原理。
鳥的藍：用海綿般的氣泡只增強「藍光」
翠鳥、白腹琉璃、藍尾鴝。日本的藍色鳥類，羽毛的構造據說和大藍閃蝶稍有不同。羽毛的分枝裡，有一層塞滿細小氣泡的海綿狀結構，而這些氣泡的間隔幾乎一致。
氣泡並不是規則的格子，所以換個角度看，顏色也不太會變。即使如此，符合氣泡間隔的藍光仍會互相增強，其他顏色則互相抵消。海綿下方有一層黑色的色素（黑色素），據說會吸收多餘的光，把藍色襯托得更鮮明。
請看圖 2。左邊的紅羽毛是靠色素上色，所以磨碎後仍是紅色的粉。右邊的藍羽毛一磨碎，海綿的形狀就被破壞，只剩下底下偏黑的色素。對著光透看時變成褐色，也是因為看到的不是反射回來的藍光，而是穿透過去的光。
其他生物是怎麼做出藍色的？
幾乎做不出藍色色素的，不只鳥和蝴蝶。在動物界，擁有藍色色素的例子，據說只限於極少數的蝴蝶和魚類等。青蛙和蜥蜴的藍色，多數也是細小結晶排列所形成的顏色。
相對地，植物是用色素來製造藍色。牽牛花和繡球花的藍色，據說是原本也可能呈紅色或紫色的色素，因為細胞液的性質，以及和金屬離子結合的方式，而偏向藍色。植物要呈現純粹的藍色，也很辛苦。
藍眼睛的人，虹膜裡只是褐色的色素（黑色素）比較少，並沒有藍色的色素。虹膜裡細小的纖維，和天空一樣會多散射藍光，所以看起來是藍色的。雖然原理和鳥略有不同，但「藍色來自形狀與散射方式」這一點是相同的。
據說許多鳥類也看得見人類看不到的紫外線。如果羽毛裡的氣泡或薄板間隔再稍微窄一點，互相增強的光就會是紫外線。有些在人眼裡很樸素的羽毛，在鳥與鳥之間，可能是很顯眼的花紋。
總結
許多藍色的鳥和蝴蝶，並沒有藍色的色素。羽毛和鱗片裡，和光的波長差不多細小的薄板與氣泡，只讓藍光互相增強後反射回來。所以形狀一被破壞，藍色就消失了。牠們選擇的路，和用色素製造藍色的植物完全不同。
藍色的羽毛不是塗了顏色。
而是用形狀讓光波的「波峰與波峰」對齊。
薄膜產生顏色的原理，在肥皂泡看起來像彩虹的原因有詳細介紹；魚類用同樣的薄板重疊做成鏡子的故事，在沙丁魚和白帶魚閃著銀光的原因；藍光散開的原理，則在天空是藍色的原因。植物色素的話題，也請看花的顏色文章。
- 觀察車站前或公園裡鴿子的脖子，一邊換角度看。綠色和紫色會交替出現。如果是色素，顏色不會隨角度改變。
- 如果撿到松鴉或灰喜鵲等藍色的羽毛，拿起來對著光透看。如果藍色消失、看起來偏褐色，那就是形狀的顏色。
- 用鐵絲圈沾上肥皂液形成薄膜，看看薄膜越來越薄時顏色的變化。可以看出顏色只由厚度決定。
撿拾地上的羽毛時，不要徒手觸碰，請使用手套或塑膠袋，觀察完要洗手。請不要捕捉野鳥，也不要靠近鳥巢。
想知道更多的人 ― 用語・公式・與課本的連結明確標示從國中理化到大學專業課程，各屬於哪個程度
- 國中國中理化會學到的範圍
- 高中高中「物理」會學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或課本專欄的內容
- 大學高中不會學到、大學專業課程（光學・生物物理）的內容
- 研究連大學也不當作「定論」來教、目前研究者正在探討中的內容
國中用語：這個現象有名字
- 結構色：不是靠色素，而是由和光的波長差不多細小的構造，讓光互相增強或散射而產生的顏色。
- 色素色：由吸收特定顏色光的物質（色素）所產生的顏色。磨碎後仍會留下來。
- 光的干涉：兩個以上的光波重疊時，波峰與波峰對齊就互相增強，波峰與波谷重疊就互相減弱的現象。
國中高中用公式驗證：蝴蝶的鱗片會反射什麼顏色的光
在薄板與空隙交替重疊的構造裡，相鄰薄板反射的光，路徑差剛好等於一個波長的顏色會互相增強。以光從正上方照射的情況，來計算反射回來的顏色波長。
| 用符號寫 | λ ＝ 2 ×（ n1 × d1 ＋ n2 × d2 ） |
| 用文字寫 | 增強的波長 ＝ 2 ×（薄板的折射率 × 薄板的厚度 ＋ 空隙的折射率 × 空隙的厚度） |
| 這個公式從哪裡來 | 光在一組薄板內來回一趟的「對光而言的路徑長度」，剛好是波長的整數倍時，各片薄板反射的光就會波峰與波峰對齊。這是干涉的條件（多層膜的布拉格條件）。 |
| 符號 | 意義與單位 |
|---|---|
| λ | 互相增強而反射回來的光的波長（奈米） |
| n1 | 薄板（幾丁質）的折射率（無單位） |
| d1 | 一片薄板的厚度（奈米） |
| n2 | 填滿空隙的物質（空氣等）的折射率（無單位） |
| d2 | 空隙的厚度（奈米） |
| 幾丁質的折射率 | 據說約 1.56 |
| 薄板的厚度（假設值，與大藍閃蝶的報告大小相近） | 75 奈米 |
| 空氣的折射率 | 1.0 |
| 空隙的厚度（假設值） | 120 奈米 |
| 乙醇的折射率 | 據說約 1.36 |
| 薄板「對光而言的厚度」 | 1.56 × 75 ＝ 117 |
| 空氣空隙「對光而言的厚度」 | 1.0 × 120 ＝ 120 |
| 一組薄板 | 117 ＋ 120 ＝ 237 |
| 增強的波長（來回一趟所以乘 2） | 2 × 237 ＝ 474 |
| 空隙被乙醇填滿時 | 1.36 × 120 ＝ 163.2 |
| 一組薄板（乙醇） | 117 ＋ 163.2 ＝ 280.2 |
| 增強的波長（乙醇） | 2 × 280.2 ＝ 560.4 |
空氣時約 474 奈米，是藍色；用乙醇填滿則約 560 奈米，是黃綠色。只是改變填滿空隙的物質，顏色就從藍色往偏綠移動，從公式也可以驗證這一點。圖 1 的滑桿，也是用這個公式計算顏色的。
高中高中＋薄膜干涉，以及為什麼顏色會隨「角度」改變
高中高中物理會把薄膜表面和背面反射的光的干涉，當作「薄膜干涉」來學。光在折射率較大的物質表面反射時，波峰與波谷會對調（相位偏移半個波長），這點也要放進條件裡考慮。
高中＋光斜向射入時，在膜內走的路徑差，會和膜內行進角度的餘弦（cos）成正比而變短。因此，越從斜向看，互相增強的波長就越往短的一側（從藍到紫）偏移。大藍閃蝶和鴿子的脖子會隨角度變色，就是這個緣故。
大學鳥類羽毛「雜亂的排列」與整齊的顏色
鳥類藍色羽毛裡的氣泡海綿，並不是像晶體那樣規則的格子。即使如此，由於氣泡與氣泡間隔的分佈很窄、很整齊，據說會發生只有特定波長的散射互相增強的「同調散射」。把氣泡的排列分解成波的成分（傅立葉分析），在某個間隔會出現尖銳的峰，就能預測顏色的波長。這種看法，和研究即使結構雜亂也能產生顏色的「準有序結構」「光子晶體」相連結。
📖 公式的推導與更進階的內容：結構色（維基百科） ／ 薄膜干涉（維基百科）
研究還沒有完全弄清楚的事
- 為什麼動物不製造藍色色素？ 有一種說法是，藍色色素的分子又大又複雜，製造起來很費工夫，但尚無定論。
- 氣泡海綿是怎麼形成的？ 一般認為在羽毛生長時，蛋白質和水會自然分離而形成氣泡的圖樣，但間隔為何會整齊的細部機制，仍在研究中。
- 能不能模仿形狀的顏色來使用？ 不易褪色的「不用色素的顏料」和顯示螢幕的應用正在研究中，但要像生物那樣便宜地大量製造，據說很困難。
換句話說，這篇文章的內容也只是「就目前所知範圍內的說明」。薄板和氣泡厚度的數值，會因生物種類和測量方法而有差異。
與課本的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化（七年級）「光的性質」 | 白光裡混合了各種顏色 |
| 高中 | 物理「波的干涉」「薄膜干涉」 | 波峰與波峰對齊的條件、用公式驗證 |
| 高中＋ | 物理（進階） | 顏色隨角度偏移的原因 |
| 大學 | 光學・生物物理 | 同調散射、光子晶體 |
| 研究 | 生物光子學 | 動物不製造藍色色素的原因、氣泡的形成方式 |
| ― | 與生活的連結 | 鴿子的脖子和肥皂泡的顏色、不褪色塗料的開發 |
- Vukusic P., Sambles J. R. "Photonic structures in biology", Nature 424 (2003)
- Prum R. O., Torres R. H., Williamson S., Dyck J. "Coherent light scattering by blue feather barbs", Nature 396 (1998)
- 木下修一（Shuichi Kinoshita）《生物ナノフォトニクス ― 構造色入門》（生物奈米光子學 ― 結構色入門），朝倉書店（2010）
- 維基百科（日文版）「構造色」
※本文是寫給一般大眾的科學解說。所列數值是為了理解原理的參考值與概算。薄板和氣泡的厚度包含假設值，會因生物種類而異。