Приложение Цвет: в глазах смотрящего
Люди могут видеть свет только на узком отрезке длины волн от 0,4 до 0,7 микрон (тысячных долей миллиметра), или, чтобы быть более точными, между примерно 380 и 750 нанометров (миллионных долей миллиметра). Свет на этих длинах волн поглощается клетками сетчатки, тонкой пластины нервных клеток, которые выстилают внутреннюю часть глазного яблока. На задней стороне сетчатки есть слой фоторецепторных клеток, которые поглощают свет и посылают нервные сигналы, а они, в свою очередь, преобразуются в цветовые ощущения в мозгу.[299]
Таб.2. Радуга над лесом.
Таб. 11. Видимый спектр: длина волны в нанометрах (миллионных долях мм).
Когда мы видим радугу или свет, выходящий из призмы, наше восприятие цвета как будто изменяется так же непрерывно, как меняется длина волны (см. таб. 2 и 11 на цветной вклейке). Ультрафиолетовый свет на длинах волн короче 380 нм не виден глазу, но когда длина волны возрастает, мы воспринимаем оттенки фиолетового, примерно с 450 нм мы видим синий, с 500 нм зелёный, с 570 жёлтый, с 590 оранжевые тона, а потом, когда длина волн начинает превышать 620 нм, мы видим красный на всём протяжении шкалы до 750 нм, дальше наша чувствительность заканчивается и начинается инфракрасный свет.
«Чистый» свет одной длины волны (в отличие от комбинации источников света с разными длинами волн) называется монохроматическим. Естественно предположить, что когда источник света выглядит для нас жёлтым, это потому, что он состоит только из волн длиной около 580 нм, как монохроматический жёлтый свет в радуге. И так же естественно предположить, что когда некий объект кажется нам жёлтым, это должно означать, что он отражает свет только на длинах волн вокруг 580 нм и поглощает свет всех остальных длин волн. Но оба этих предположения совершенно неверны. На самом деле, цветное зрение – это иллюзия, которую создают для нас нервная система и мозг. Чтобы воспринять свет как жёлтый, нам необязательно нужен свет на волне 580 нм. Мы можем получить такое же «жёлтое» ощущение, если чисто-красный свет на длине 620 нм и чисто-зелёный на 540 нм налагаются друг на друга в равном количестве. Другими словами, наши глаза не могут отличить монохроматический жёлтый свет и сочетание монохроматических красного и зелёного светов. В самом деле, экран телевизора ухитряется обманом заставить нас воспринимать любые цвета спектра, используя разные комбинации всего трех монохроматических цветов – красного, зелёного и синего. Наконец, объекты, которые кажутся нам жёлтыми, очень редко отражают только свет длиной около 580 нм, а чаще всего отражают зелёный, красный и оранжевый, так же, как и жёлтый. Как это можно объяснить?
До XIX века учёные пытались понять этот феномен «цветовой подгонки» через какие-то физические свойства самого света. Но в 1801 году английский физик Томас Юнг предположил в своей знаменитой лекции, что объяснение лежит не в свойствах света, а скорее в строении человеческого глаза. Юнг разработал «трихроматическую» теорию зрения: он утверждал, что в глазу есть только три вида рецепторов, каждый из которых особенно чувствителен к свету в своей области спектра. Таким образом, наше субъективное ощущение непрерывности цвета создаётся тогда, когда мозг сравнивает ответы от этих трёх типов рецепторов. Теория Юнга была усовершенствована в 1850-х Джеймсом Клерком Максвеллом, а в 1860-х Германном фон Гельмгольцем, и она до сих пор служит основой для того, что мы сегодня знаем о функционировании сетчатки.
Таб.12. Чувствительные колбочки.
Цветное зрение основано на трёх типах светопоглощающих пигментных молекул, называемых колбочками, которые содержатся в клетках сетчатки. Эти три типа клеток известны как длинноволновые, средневолновые и коротковолновые колбочки. Колбочки поглощают фотоны и посылают сигнал о количестве фотонов, поглощённом за единицу времени. Коротковолновые колбочки имеют пик чувствительности в области 425 нм – это на границе фиолетового и синего. Это не значит, что эти колбочки поглощают фотоны только на 425 нм. Как можно видеть на диаграмме на противоположной странице (и на таб. 12 на цветной вклейке), коротковолновые колбочки поглощают свет на разных длинах волны, от фиолетовых до синих и даже какой-то части зелёных. Но их чувствительность к свету снижается, когда длина волны уходит от оптимума в 425 нм. Поэтому, когда монохроматический зелёный свет на 520 нм достигает коротковолновых колбочек, поглощается значительно меньший процент фотонов по сравнению со светом на 425 нм.
Рецепторы второго типа, средневолновые колбочки, имеют пик чувствительности на жёлто-зелёном участке, около 530 нм. И опять же они чувствительны (в меньшей степени) к диапазону длин волн от голубого до оранжевого. Наконец, длинноволновые колбочки имеют пик чувствительности довольно близко к средневолновым колбочкам, в зеленовато-жёлтом, на 565 нм. Сами колбочки «не знают», какую длину световых волн поглощают. Каждая колбочка сама по себе слепа к цвету. Единственное, что она регистрирует, это общая интенсивность света, который поглощён. Таким образом, коротковолновая колбочка не может отличить, поглощает ли она фиолетовый свет малой интенсивности (на 440 нм) или зелёный свет высокой интенсивности (на 500 нм). И средневолновые колбочки не могут отличить свет на 550 нм и свет той же интенсивности на 510 нм.
Чувствительность (нормализованная) коротковолновых, средневолновых и длинноволновых колбочек как функция длины волны
Мозг выясняет, какой цвет он видит, сравнивая пропорции, в которых поглощаются фотоны в трёх разных типах колбочек. Но существует бесконечное множество разных спектральных распределений, которые дают точно те же пропорции, и мы не сможем их различить. Например, монохроматический жёлтый свет на длине волны 580 нм дает точно такую же пропорцию поглощения, как сочетание красного света на 620 нм и зелёного на 540 нм, о чём говорилось выше. И существует бесконечное число других таких же «метамерных цветов», различных спектральных распределений, которые дают такую же пропорцию поглощения среди трёх типов колбочек и таким образом для глаза человека выглядят одинаково.
По этой причине важно осознавать, что наш диапазон цветовых ощущений определяется не напрямую разными монохроматическими цветами спектра, но скорее диапазоном различным образом составленных пропорций между тремя типами колбочек. Наше «цветовое пространство» трёхмерное, и оно содержит ощущения, которые не соответствуют ни одному цвету радуги. Наше ощущение розового, например, создается пропорцией поглощения, которая не соответствует ни одному монохромному свету, а скорее сочетанию красного и голубого света.
Когда ночью угасает свет, в игру вступает другая зрительная система. Колбочки недостаточно чувствительны для восприятия света очень низкой интенсивности, но есть и другие рецепторы, называемые палочками, которые настолько чувствительны, что могут регистрировать поглощение даже единичных фотонов! Палочки наиболее чувствительны к сине-зелёному свету около 500 нм. Наше зрение для низкой освещённости, однако, нецветное. Это не потому, что сам цвет ночью «забывает» свою длину волны, а просто из-за того, что палочки все одного типа. Поскольку мозгу не с чем сравнивать ответы от единственного типа палочек, то и никакого цветового ощущения не может быть.