4.4. Свет и цвет

Окружающий нас мир всегда полон разнообразнейших красок. Как же возникает это цветовое богатство? Почему каждое вещество окрашено в свой цвет? Изумрудная зелень лугов, золотистые цветы одуванчиков, яркое оперение птиц, крылья бабочек, рисунки и иллюстрации – все это создается особенностями взаимодействия света с веществом и цветовым зрением человека. Окружающие нас предметы, будучи освещенными одним и тем же белым солнечным светом, представляются нашему взору различно окрашенными.

Падая на освещаемый предмет, волна обычно разделяется на три части: одна часть отражается от поверхности предмета и рассеивается в пространстве, другая часть поглощается веществом, и третья проходит сквозь него.

Рис. 4.16

Рис. 4.17

Если отраженная и прошедшая компоненты отсутствуют, то есть вещество поглощает упавшее на него излучение, то глаз наблюдателя ничего не воспримет, и рассматриваемое вещество будет выглядеть черным. При отсутствии прошедшей компоненты оно будет непрозрачным. Ясно, что в этом случае окраска вещества определяется балансом между поглощением и отражением падающих на него лучей. Скажем, синий василек поглощает красные и желтые лучи, а синие отражает – этим и обусловлен его цвет. Цветы подсолнуха желтые, это значит, что из всего диапазона волн они отражают в основном волны желтой части спектра, а остальные поглощают.

Верхняя часть яблока, изображенного на рис. 4.16, имеет красный цвет. Это означает, что она отражает волны, соответствующие длине волны красной части спектра. Нижняя часть яблока не освещена, и потому поверхность его кажется черной. А вот яблоко на рис. 4.17, освещенное светом с тем же спектральным составом, отражает зеленую часть спектра, поэтому мы видим его зеленым.

Рис. 4.18

Таким образом, наблюдаемый нами цвет того или иного вещества определяется длинами волн, которые попадают к нам в глаз после взаимодействия света с веществом. Если это преимущественно синие лучи, то и вещество будет казаться нам синим, если же желтые – то желтым, то есть ощущение цвета создается при условии преобладания в отраженном свете волн определённой длины. Но если в отраженном свете присутствуют все длины волн видимого диапазона, и интенсивность всех волн одинаковая, то цвет воспринимается как белый.

Рис.4.19

Таким образом, если мы говорим, что объект имеет какой-то цвет, это значит, что поверхность этого объекта имеет свойство отражать волны определённой длины, и отражённый свет воспринимается как цвет объекта. Если объект полностью поглощает падающий свет, он будет казаться нам чёрным, а если отражает все падающие лучи – белым. Правда, последнее утверждение будет верным только в том случае, если падающий свет будет белым. Если же падающий свет приобретает какой-то оттенок, то и отражающая поверхность будет иметь такой же оттенок. Это можно наблюдать на закатном солнце, которое делает всё вокруг багровым (рис. 4.18), или в сумеречный зимний вечер, когда снег кажется синим (рис. 4.19).

А как изменится цвет вещества, если заменить солнечное излучение, например, на излучение обычной электрической лампочки?

В спектре лампы накаливания по сравнению с солнечным спектром заметно больше доля желтых и красных лучей. Поэтому и в отраженном свете возрастет их доля по сравнению с тем, что получается при солнечном свете. Значит, освещаемые лампочкой предметы будут выглядеть «желтее», чем при солнечном освещении. Лист растения станет уже желто-зеленым, а синий василек – сине-зеленым или даже совсем зеленым.

Таким образом, понятие «цвет вещества» не является абсолютным, цвет зависит от освещения. Поэтому лишены смысла сообщения о способностях некоторых людей узнавать цвет предмета, помещенного в светонепроницаемую кассету. Понятие цвета в темноте лишено всякого смысла.

Механизм формирования цвета подчиняется вполне конкретным законам, которые открыли сравнительно недавно – около 150 лет назад. Дисперсия света приводит к тому, что, когда белый свет проходит через призму, он разлагается на семь основных спектральных цветов – красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий. И наоборот, если смешать цвета спектра, получится луч белого света. Cемь основных спектральных цветов и составляют тот довольно узкий диапазон электромагнитных волн (примерно от 400 до 700 нанометров), которые способен улавливать наш глаз, но и этих трехсот нанометров оказывается достаточно для того, чтобы породить цветовое многообразие окружающего нас мира.

Световые волны попадают на сетчатку глаза, где воспринимаются светочувствительными рецепторами, передающими сигналы в мозг, и уже там складывается ощущение цвета. Это ощущение зависит от длины волн и интенсивности излучения. Длина волны формирует ощущение цвета, а интенсивность – его яркость. Каждому цвету соответствует определённый диапазон длины волн.

Рис. 4.20. Формирование оттенка из трех базовых цветов

Важнейшим законом создания цвета является закон трехмерности, который гласит, что любой цвет можно создать тремя линейно независимыми цветами. Наиболее яркое практическое использование этого закона – цветное телевидение. Вся плоскость экрана представляет собой крошечные ячейки, в каждой из которых есть три луча – красный, зеленый и синий. Цвет изображения на экране формируется с помощью этих трех независимых цветов. Этот принцип синтеза цвета также используется в сканерах и цифровых фотоаппаратах. Механизм формирования цвета отражен на рис. 4.20.

Цвета, с помощью которых воспроизводится цветное изображение, называются основными цветами. В качестве основных цветов могут быть выбраны самые различные сочетания из трех независимых цветов. Однако в соответствии со спектральной чувствительностью глаза в качестве основных цветов чаще всего принимают или синий, зеленый и красный, или желтый, пурпурный и голубой. Цвета, которые при смешивании дают белый цвет, называются дополнительными цветами. В смешанном цвете мы не можем увидеть отдельные его составляющие.

Рис. 4.21

Экспериментально наблюдать эффект смешения цветов можно с помощью диска Ньютона. Цветовой диск Ньютона представляет собой стеклянный диск, разбитый на секторы, которые окрашены в различные цвета (от красного до фиолетового) (рис. 4.21).

Будем вращать диск вокруг его оси. По мере увеличения скорости вращения заметим, что границы между секторами размываются, цвета становятся смешанными и блеклыми. И при какой-то скорости вращения диска наши глаза воспринимают проходящий сквозь него свет белым, то есть перестают различать цвета.

Это можно объяснить так. На сетчатке глаза расположены рецепторы, которые и воспринимают световые сигналы. Пусть вначале глаз воспринимает, например, синий цвет. При этом рецепторы находятся в соответствующем возбужденном состоянии. Выключим синий свет. Рецепторы перейдут в основное состояние за некоторый интервал времени. Цветовое ощущение исчезнет. Если теперь включить, например, красный свет, то рецепторы его воспримут как один цвет. Если же синий и красный свет будут чередоваться через очень малый интервал времени, то рецепторы будет воспринимать эти цвета одновременно. Следовательно, вращая диск Ньютона со скоростью, при которой глаз перестает различать отдельные цвета секторов, мы «заставляем» глаз суммировать все эти цвета, и видим белый свет.

Таким образом, при совместном воздействии на глаз двух или более световых волн разной частоты, соответствующих разным цветам, получается качественно новый субъективно воспринимаемый цвет. Ощущение цвета складывается в мозге человека, куда идет сигнал из глаза. В глаз же свет попадает, проникнув через роговую оболочку и зрачок, «регистрируясь» на сетчатке, на которой расположены нервные клетки. Получая сигнал, нейроны отправляют электрические импульсы в мозг, где из информации о пропорциях и интенсивности основных цветов складывается полноцветная картина мира с огромным количеством оттенков.