Текст книги "Девять цветов радуги"
Автор книги: Александр Штейнгауз
сообщить о нарушении
Текущая страница: 11 (всего у книги 23 страниц)
Современная теория цветов и цветового зрения была создана трудами Юнга и Гельмгольца. Очень многое сделал в этой области и Максвелл.
Колориметрия наших дней, основанная на принципе трех основных цветов, представляет собой стройную науку. Она позволяет точно предсказывать результаты смешения и определения состава сложных цветов. Она дала в руки специалистов простой и надежный метод расчетов, пригодных для всей бесконечной совокупности существующих в природе цветов. В качестве трех основных цветов выбраны чистые спектральные тона: красный (λ=700 ммк), зеленый (λ =546,1 ммк) и синий (λ= 435,8 ммк)[18]18
Основными могут быть взяты и три других тона, но обязательно из группы красных, зеленых и синих.
[Закрыть].
Нет смысла объяснять здесь теоретические тонкости колориметрии и методы расчетов. Важно одно: теория и практика колориметрии целиком основаны на свойствах цветового зрения человека, определенных опытным путем и выраженных в соответствующих математических соотношениях.
Эти соотношения, в частности, позволили ученым создать сравнительно несложный цветовой график. Пользуясь им, специалисты могут отвечать на все вопросы, связанные с образованием цветов. Вы можете увидеть цветовой график на рисунке. В принципе каждая точка на поверхности графика соответствует одному из существующих в природе цветов. Этот график отличается от практически применяемых отсутствием ряда вспомогательных линий и тем, что художник для наглядности нанес на нем цвета. Разумеется, он не мог нанести бесконечное количество их, но общее расположение и переходы цветов выполнены правильно.
До сих пор мы говорили о смешении цветов путем добавления друг к другу световых потоков разных цветов. Такой способ называется аддитивным (буквально – слагательным) смешением цветов.
Другой способ основан на слиянии в глазу отдельных чистых тонов, наносимых на поверхность мелкими точками в непосредственной близости друг к другу. В этом случае используется известное нам свойство глаза – острота зрения. Если расстояние между точками и их размер таковы, что глаз не может различить их как отдельные, то они сливаются в единое пятно, цвет которого определяется тонами отдельных точек.
Такой метод смешения красок применяли некоторые художники, однако в живописи этот метод не оказался особенно плодотворным, и в настоящее время он не применяется. Зато в текстильной промышленности он применяется очень часто: ткань составляется из тонких нитей различных цветов. В результате смешения ее цветовой тон отличается от цветов нитей.
Но, пожалуй, наиболее полезным метод пространственного смешения цветов оказался в телевидении. В настоящее время все системы цветного телевизионного вещания и многие цветные телевизионные системы специального назначения созданы на основе этого принципа.
Пытались применить его при создании фотопленки для цветной фотографии и кинематографии. Перед второй мировой войной она даже поступила в продажу. Но в последующие годы от такой пленки отказались.
В настоящее время широкое распространение получила цветная пленка, в которой образование цветов осуществляется субтрактивным (буквально – вычитательным) методом.
Возможность такого образования доказывает, в частности, существование дополнительных цветов. В самом деле, какой цвет мы увидим, если каким-либо путем вычтем из лучей белого света красные лучи? Мы увидим дополнительный к красному – зеленый цвет.
Действие светофильтров как раз и основано на субтрактивном образовании цветов. Так, про зеленый светофильтр можно сказать, что он пропускает зеленые лучи. Но столь же верно и то, что зеленый светофильтр не пропускает лучей красного цвета; то есть, находясь на пути белого света, он вычитает из него все красные лучи. Подобным образом действуют и светофильтры остальных цветов.
Теория показывает, что субтрактивный метод также позволяет образовывать из белого света все цвета с помощью трех светофильтров: красного, голубого и зеленого. Для получения нового цвета необходимо подбирать в определенном соотношении плотность (пропускание света) каждого из светофильтров. При фотографировании на цветной пленке такой подбор происходит автоматически.
Цветная печать в полиграфии, пользование акварельными и некоторыми другими видами красок тоже основаны на субтрактивном образовании цветов. В этих случаях, однако, процессы их образования осложняются целым рядом дополнительных обстоятельств, которые не позволяют столь же просто и точно предсказывать цвета не опробованных еще сочетаний красок. Поэтому часто приходится прибегать к практической проверке и пробам.
От фактов к теории
Как увязать между собой все многообразие фактов, относящихся к цветовому зрению?
Как связать их с устройством глаза?
И, наконец, как объяснить способность нашего зрения различать между собой огромное количество цветов и столь тонко чувствовать разницу в оттенках?
В общих чертах устройство глаза уже известно читателю. Знакомы ему и многие факты, связанные с цветовым зрением. Пока об устройстве глаза и его свойствах сообщались только факты, можно было принимать их на веру. Но, чтобы понять их связь, понять, почему они таковы, какие из них являются основными, а какие – следствиями, необходимо вкратце познакомиться с теорией.
До настоящего времени из всех предложенных наиболее удачной считается теория, разработанная Юнгом, Гельмгольцем и Максвеллом. Она носит название трехкомпонентной теории цветового зрения. Такое название дано ей не случайно. Дело в том, что исходный пункт, основа ее заключается в предположении о наличии в глазу трех цветочувствительных приемников, или элементов, из которых один реагирует преимущественно на лучи красного света, другой – на лучи зеленого, а третий – на лучи синего света.
По законам пространственного смешения цветов каждый цветочувствительный центр сетчатки должен содержать все три типа приемников. Так, если в данную точку сетчатки попадает луч красного света, то возбудится только красночувствительный элемент, оба других в это время не будут посылать сигналов в мозг. Если же в глаз приходит сложный, хроматический свет, например желтый, то сигналы в мозг будут поступать уже от двух приемников – от красночувствительного и зеленочувствительного. Ощущение белого света возникает, когда все три приемника одновременно и в сильной степени будут возбуждены светом.
Практика, опыт являются лучшими методами проверки любой теории. Это справедливо и в данном случае. Те, кто разобрался в явлении смешения цветов, сразу поймут, что трехкомпонентная теория хорошо согласуется с фактами. С ее помощью можно качественно и количественно объяснить явление смешения цветов, существование дополнительных цветов, цветовых последовательных образов.
Эта теория, в частности, позволяет объяснить причины довольно распространенного порока зрения, называемого дальтонизмом. Люди, страдающие дальтонизмом, плохо различают некоторые цвета. Дальтоников не так уж мало: до 9 процентов среди мужчин, но всего 0,5 процента среди женщин. Этот порок получил название по имени известного английского химика Дальтона, о котором упоминается во всех учебниках по химии. Но редко кто знает, что он, обладая таким недостатком зрения, тщательно изучил его и описал в литературе, чем и объясняется название, присвоенное этому пороку.
Наиболее часто дальтоники не различают красного и зеленого, в то время как другие цвета воспринимаются ими нормально. Зная теперь о трех компонентах, о трех приемниках цвета, мы можем предположить, что могут быть люди, не воспринимающие синих цветов. Действительно, такие люди встречаются, но очень редко. Еще реже встречаются такие, которые вовсе не различают цветов.
Следует предупредить читателей, что очень часто дальтоники даже не подозревают о недостатке своего зрения. Прибегая к аналогии с восприятием звуков, дальтоников можно уподобить людям с плохим музыкальным слухом. В некоторых случаях дальтонизм может привести к тяжелым последствиям, особенно на транспорте, где красный и зеленый сигналы являются приказами взаимно-противоположного смысла.
Самым лучшим критерием правильности трехкомпонентной теории является ее успешное применение в технике. Именно на основе этой теории современная техника создала цветную фотографию и цветное телевидение, разработала новейшие источники света, вызвала к жизни цветную полиграфию и значительно расширила возможности лакокрасочной промышленности. Художникам, предчувствовавшим ее, быть может, раньше всех, она тоже оказала и продолжает оказывать неоценимую помощь.
Необъяснимые явления
Нынешняя теория цветного зрения довольно стара. Она в основном была создана во второй половине прошлого века. В наши дни, когда в физике идет непрерывное обновление, непрерывная смена теорий, возраст ее кажется очень большим и вызывает у некоторых даже не меньшее удивление, чем возраст какого-нибудь старого, но все еще не побитого спортивного рекорда.
Чем же объяснить столь почтенный возраст этой теории?
Тем ли, что она верна, или тем, что ей не уделяли должного внимания?
Частично справедливы оба предположения.
Хотя абсолютных теорий не бывает, нынешняя теория цветового зрения оказалась в состоянии объяснить ученым и инженерам практически все интересовавшие их до сих пор факты. Это доказывает, что ее следует считать правильной.
Но в некоторой степени справедливо и второе предположение. Теория взаимодействия света и глаза действительно не находилась в центре внимания физической науки всех этих лет. Главное направление физики шло в области исследования света как такового, атома, его ядра и элементарных частиц. Некоторые выдающиеся естествоиспытатели отдавали свои силы выяснению взаимодействия света и глаза, но в общей совокупности физических исследований их усилия составляли малую долю, хотя решали они задачу, сложность которой люди сумеют оценить лишь в будущем. К этому следует добавить, что эту задачу должны решать не только физики, но и специалисты из многих других областей науки, что до последнего времени тоже усложняло дело.
И, быть может, хорошо, что получилось именно так. Потому что дальнейшие открытия в области воздействия света на глаз и нервную систему человека могут оказаться столь серьезными и важными, что их стоит оставить до лучших времен, когда эти открытия будут использоваться только во благо, а не во вред людям. Следует подчеркнуть, что подобных открытий может и вовсе не случиться, но при современном уровне знаний предположение об их принципиальной возможности не следует считать чистой фантазией. В самое последнее время зародилась новая наука – бионика. Одной из ее задач является изучение органов чувств человека и животных, чтобы понять, как они устроены, и создать по их подобию искусственные органы чувств. У большинства животных зрение является основным чувством, и ему, естественно, уделяется особое внимание. Можно не сомневаться, что эта наука сумеет сделать новые очень интересные и важные открытия.
Трехкомпонентная теория цветного зрения существует без принципиальных изменений так долго потому, что до сих пор она оказалась в состоянии объяснить практически все известные факты, и потому, что великолепно оправдала себя на практике.
Кроме того, до недавней поры не знали о сколько-нибудь серьезных фактах, объяснить которые оказалось бы не под силу этой теории. То есть необходимости в пересмотре ее до последнего времени не возникало. Но в пятидесятые годы были открыты новые факты.
Что же это за факты?
Прежде всего, это – отсутствие твердых доказательств о наличии в глазу трех цветочувствительных приемников, на предположении о существовании которых основывается трехкомпонентная теория. Уже в течение многих лет пытаются отыскать их в глазу. Доподлинно известно, что на цвет реагируют колбочки. Поэтому имелось предположение, что не все колбочки одинаковы, а делятся на три типа: одни чувствительны к красным, другие – к зеленым, третьи – к синим лучам. Но не все ученые так думали, некоторые считали, что все колбочки одинаковы, но в них существуют некие центры или некие химические процессы, по-разному реагирующие на разные цвета.
Для проверки подобных предположений ставились и ставятся многочисленные опыты. Их результаты часто бывали очень противоречивыми. И временами казалось, что доказательства о существовании трех видов цветочувствительных приемников уже в руках ученых. Но на поверку все выходило не так просто. И в настоящее время многие исследователи не склонны считать, что существующие гипотезы – по крайней мере, в том виде, как они формулируются теперь, – являются верными. Более того, в результате исследований последних лет возникли серьезные сомнения в самой природе восприятия света с помощью зрительных пигментов (иодопсина, родопсина). Сейчас некоторые ученые высказывают даже предположения о том, что фотохимическая теория зрительных процессов в глазу может оказаться неверной.
Уже много лет ученым известно очень простое устройство или, скорее, забавная игрушка с удивительными свойствами. Устройство это называется диском Бенхема и представляет собой круг, закрашенный до половины в черный цвет; на второй половине круга по белому полю расположены черные парные дуги разных радиусов. Подобный диск помещен в приложении к книге[19]19
См. главу «Иллюстрации».
[Закрыть]. Вырежьте его, наклейте на кусок картона и сделайте из него волчок.
Раскрутив диск Бенхема, вы увидите неожиданное явление. Черно-белый диск становится вдруг цветным. На его поверхности появляются цвета. Они слабые и ненасыщенные, но все же хорошо заметны. Цвета эти непостоянны. По мере того как обороты диска падают, они меняются[20]20
Я заметил, что разные люди, глядя на диск одновременно, несколько по-разному видят появляющиеся цвета. Проверьте в кругу своих товарищей, правильно ли это наблюдение. Заметьте так же, как меняется расположение цветов при изменении направления вращения.
[Закрыть].
Несколько лет назад английские специалисты в области телевидения, видимо основываясь на этом же явлении, провели очень интересный опыт. Однажды во время передачи английские телезрители увидели на экранах своих приемников торговую рекламу бульонных кубиков. Это было неподвижное изображение с очень простыми формами. На него вряд ли обратили бы внимание, если бы это изображение не оказалось цветным. Цвета были блеклые, но явственно заметные. Это привлекло всеобщее внимание – ведь телевизоры были не цветными, а обычными.
Любая полная научная теория должна объяснять все известные науке факты, относящиеся к какой-либо области. Это справедливо и по отношению к общепринятой теории цветового зрения. Она тоже должна была бы объяснить действие диска Бенхема и опыт английских инженеров. Однако, по крайней мере в настоящее время, она не дает такого объяснения. Можно, конечно, считать явление цветов в диске Бенхема частным, нехарактерным случаем, потому что практически на наш глаз всегда действует постоянный свет, а от этого диска приходит свет пульсирующий. Но такой ответ может удовлетворять науку лишь до определенной поры, пока таких частных случаев мало, пока не появляется хотя бы один существенно важный.
И если бы такой важный факт не стал известен, то подобной неопределенной ссылкой на частный и нехарактерный случай пришлось бы закончить главу о зрении. Но в самом начале 1959 года в науке о цвете, спокойно развивавшейся на основе классической теории в течение многих десятилетий, случилось событие огромной важности.
На одном из заседаний Национальной академии наук США выступил физик Эдвин Лэнд. Тот самый Лэнд, который за десять лет до того изобрел быстрый фотографический процесс, применяемый теперь в некоторых фотографических камерах, и в частности в фотоаппаратах «Момент». В этот раз Лэнд докладывал о некоторых опытах по теории цветового зрения, которые он проводил со своими сотрудниками в течение нескольких лет. Результаты опытов столь интересны, что, по крайней мере, об одном из них стоит подробно рассказать.
Для осуществления опыта была сконструирована специальная сдвоенная фотографическая камера. От обычной она отличается тем, что световой поток, прошедший через объектив, с помощью особого устройства делится на два, из которых каждый падает на отдельную фотопластинку. Изображения на обеих пластинках получаются абсолютно одинаковыми, так как объектив общий и фотографирование на обе пластинки производится в одно и то же время.
Сдвоенная фотокамера (сверху) и сдвоенный проектор Лэнда. В фотокамере с помощью специальной системы призм, установленных позади общего объектива, создается два одинаковых изображения. Для того чтобы осуществить цветоделение, перед пластинками установлены светофильтры. Изображения проектируются и совмещаются на общем экране. В проекторе имеются два независимых объектива.
Но есть и различие. Оно состоит в том, что на пути каждого из световых потоков ставятся разные светофильтры. Один из них пропускает лучи света с длинами волн больше 585 миллимикронов, то есть оранжевые и красные. А другой – только лучи с волнами короче 585 миллимикронов, то есть частично желтые и полностью зеленые, голубые, синие и фиолетовые[21]21
Если вы захотите поэкспериментировать в этой новой и очень интересной области, вы можете воспользоваться обычным фотоаппаратом. Его надо хорошо укрепить и делать снимки с неподвижной натуры, лучше всего – с ярко расцвеченного натюрморта. В этом случае снимки придется делать по очереди: через оранжево-красный светофильтр и через зеленый или голубовато-зеленый. Не забудьте, что при съемке через разные светофильтры выдержки должны быть различными.
[Закрыть].
С полученных в этой камере негативов были отпечатаны диапозитивы. Назовем диапозитив, полученный от негатива, снятого в оранжево-красном свете, длинноволновым, а другой – коротковолновым. Представим себе, что натурой для этих фотографий послужил букет красных георгинов в синей вазе. Если внимательно вглядеться в диапозитивы, мы увидим, что формы предметов на них абсолютно одинаковы, но гамма серых цветов различна. На длинноволновом диапозитиве цветы будут совсем светлыми, а листья и ваза темными. Зато на коротковолновом диапозитиве цветы кажутся почти черными, а листья и ваза светлыми. Промежуточные цвета натуры дадут нам на обоих диапозитивах различные серые цвета.
Такие негативы и диапозитивы называются цветоделенными и сами по себе не представляют новинки в практике цветной фотографии и цветной печати. Правда, обычно снимаются три негатива через три светофильтра: красный, зеленый, синий. Не ново и то, что делали Лэнд и его сотрудники дальше. Они вставляли оба диапозитива в сдвоенный проекционный аппарат и точно совмещали оба изображения на белом экране. При этом получалось черно-белое изображение.
Но не оно интересовало ученых. Они проектировали изображение с полученных диапозитивов в различных цветах: коротковолновый проектировался через тот же самый коротковолновый светофильтр, а длинноволновый– через длинноволновый светофильтр.
Но (это и есть самое главное) ученые задались таким вопросом: что произойдет, если оставить только один из светофильтров?[22]22
В некоторых сообщениях об открытии Лэнда говорилось, что впервые он просто-напросто случайно забыл поставить один из светофильтров. В докладе Лэнда не упоминается об этой случайности. И, думается, ее действительно могло и не быть.
[Закрыть]
Ответ же оказался поистине поразительным. Когда Лэнд убрал коротковолновый светофильтр (на это понадобились всего секунды!), картина на экране осталась многоцветной! Гамма цветовых тонов была не столь богатой, как в натуре, но глаза отчетливо различали разнообразные цветовые тона и оттенки.
Что же изменилось, когда Лэнд убрал коротковолновый светофильтр?
Только одно – коротковолновый диапозитив стал проектироваться в лучах белого света вместо голубовато-зеленых. Длинноволновый же диапозитив продолжал проектироваться в лучах оранжево-красного света. И таким образом на экран стали падать лучи только белого и оранжево-красного света. Никаких других лучей не было. На экране эти лучи смешивались аддитивно, но важно то, что в каждой точке экрана пропорции смеси белого и оранжево-красного цветов были различными. Они зависели от степени потемнения каждого из диапозитивов в данной точке изображения.
Мы проделывали с вами опыты по аддитивному смешению цветов и, в частности, белого с красным и помним, что при изменении пропорции менялась только чистота, насыщенность красного цвета, но цветовой тон оставался неизменным – красным.
Лэнд прекрасно знал о законах аддитивного смешения цветов. И поэтому трудно вообразить себе состояние ученого, когда на его глазах (именно на глазах) в течение нескольких секунд эти законы, существовавшие незыблемыми в течение очень долгого времени, рухнули!
Что делали Лэнд и его сотрудники, совершив открытие, мы не знаем. Но что пришлось им делать далее, известно – работать и работать. Снова и снова повторять опыты, опровергать самих себя и искать новые подтверждения, новые факты, объясняющие открытие. И в первую очередь следовало проверить, нет ли ошибки в самом опыте. Ведь глаз видел разнообразные цвета там, где по теории должны были существовать только цвета одного тона – оранжево-красного. Это утверждала колориметрия, это же подтверждал многолетний практический опыт. И главное, подтверждали объективные оптические приборы, с помощью которых обследовали изображение на экране. Они показывали, что (как и следовало ожидать) в любой точке экрана существует только смесь белого света с оранжево-красным.
Но человеческий глаз действовал вопреки показаниям приборов, вопреки теории и даже, казалось, самой логике: он видел различные цветовые тона там, где их не должно было быть!
Вот что пишет по этому поводу сам Лэнд:
«В чем же состоит ошибка классической теории? Тот факт, что проблемой цветового зрения занималось столь большое число исследователей, исключает возможность ошибки. Ответ заключается в том, что почти все работы по цветному зрению имели очень малое отношение к… цвету в том виде, в каком мы фактически воспринимаем его. В этих работах, по сути дела, изучались цветовые пятна, в частности пары таких пятен, подбиравшиеся до их совпадения по цвету. Заключения, к которым приходили ученые, молчаливо принимались для любых цветовых ощущений. Это утверждение, казавшееся весьма убедительным, прочно вошло в учебники физики. Лишь немногие ученые позволили себе усомниться в нем…[23]23
Эти ученые изучали изменение цветов, когда цветовое пятно просматривается на фоне другого цвета.
[Закрыть]
Таким образом, цветовое зрение в естественных условиях при наблюдении полных изображений (а не цветовых пятен) оказалось совершенно неисследованной областью!»
Черно-белые фотографии, полученные Лэндом с помощью сдвоенной фотокамеры и светофильтров. Обратите внимание на различия в этих фотографиях.
Не все ученые согласны с утверждением Лэнда о том, что его открытие не может быть объяснено с помощью классической теории. Некоторое время назад с возражениями Лэнду выступил ряд ученых.
Пока еще рано судить, кто в конечном итоге окажется правым. Как бы то ни было, все специалисты сходятся на одном: новые факты имеют очень важное значение для науки. Возможно, именно они позволят понять работу не только самого глаза, но, что особенно важно, зрительных центров мозга и их взаимосвязь с остальными частями мозга.
