Физика цвета: смешение красок, спектральный состав света и оптические иллюзии

Многие с детства знакомы с правилами смешения красок: из желтого и синего пигментов получается зеленый, а красный и желтый дают оранжевый. Аналогично, смешивая синий с розовым, художник получает пурпурный. Однако те же самые законы, будучи примененными к световым лучам, приводят к совершенно иным, а порой и парадоксальным результатам.

Если задать вопрос, какой цвет возникнет при последовательном пропускании пучка света сначала через желтое, а затем через синее стекло, большинство, не подозревая подвоха, уверенно ответит — зеленый. В действительности же такой ответ ошибочен, поскольку игнорирует разницу между субтрактивным смешением (смешением красок) и смешением световых потоков.

Ключевое значение здесь имеет природа белого света. Научно доказано, что дневной свет представляет собой сумму излучения различных длин волн, соответствующих разным цветам спектра. Разложение белого света на составляющие можно наблюдать в каплях росы, создающих радугу, или при прохождении луча через стеклянную призму. Полученные таким образом спектральные цвета при обратном смешении вновь образуют белый свет.

Причина, по которой стекло кажется нам окрашенным, двояка. Во-первых, оно пропускает лучи только определенного цвета. Во-вторых, что не менее важно, оно поглощает (задерживает) все остальные лучи спектра. Так, желтое стекло пропускает исключительно желтые волны, блокируя синие, зеленые и красные, а синее стекло действует избирательно по отношению к синему диапазону.

Исходя из этого, если белый свет сначала пройдет через желтый светофильтр, то из всего спектра уцелеют лишь желтые лучи. На пути этих желтых лучей встанет синее стекло, которое по своей природе предназначено пропускать только синий цвет. Следовательно, желтые лучи будут полностью заблокированы вторым фильтром. Таким образом, за двумя стеклами воцаряется темнота, а вовсе не зеленый свет, как того ожидают по аналогии с красками.

Однако возможен и иной результат, если используемые стекла не являются чисто спектральными. Например, если желтое стекло помимо желтого спектра слегка пропускает синие лучи, а синее — желтые, то при наложении этих фильтров часть излучения все же может пройти. В таком случае глаз действительно может воспринять зеленый оттенок, что является одним из оптических парадоксов, подобных тем, что встречаются в химии.

Другой удивительный эффект связан с явлением цветовой последовательности или последовательного образа. Если в течение примерно 30 секунд неподвижно фиксировать взгляд на ярком предмете, например, на книге в светло-красном переплете, а затем перевести взгляд на белую поверхность, перед глазами возникнет изображение той же книги, но окрашенное в иной цвет.

Этот возникающий цвет будет дополнительным к исходному. В физике дополнительными называются такие два цвета, оптическое смешение которых дает ощущение белого цвета. Для светло-красного дополнительным является зеленый, для желтого — синий, и наоборот. Это явление объясняется не свойствами самих предметов, а особенностями человеческого восприятия.

Причина данного феномена кроется в физиологии зрения, а именно в утомляемости сетчатки глаза. Нервные окончания (фоторецепторы), чувствительные к свету, при длительном раздражении теряют чувствительность. Если, находясь в темноте, внезапно включить свет, он покажется ослепительно ярким, поскольку рецепторы отдохнули. При длительном же воздействии света наступает адаптация и утомление.

В опыте с цветной книгой участок сетчатки, на который проецировалось красное пятно, адаптировался и утомился к красному цвету. Его чувствительность к красным лучам временно снизилась. Когда взгляд переводится на белую поверхность, белый свет (содержащий все лучи) падает на этот утомленный участок.

Так как рецепторы, отвечающие за красную часть спектра, "устали" и не реагируют, сигнал в мозг поступает только от рецепторов, чувствительных к остальным длинам волн. Сумма всех цветов спектра за вычетом красного как раз и дает зеленый цвет (который является дополнительным к красному). Этот эффект наблюдается не только при переводе взгляда на белый экран, но и при закрывании глаз, когда через веки проходит рассеянный свет, достаточный для стимуляции фоторецепторов.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: В. Гампсон, К. Шеффер

Источник: Парадоксы природы

Данные публикации будут полезны студентам физических и технических специальностей, изучающих механику и принципы работы простых механизмов, начинающим инженерам и конструкторам, интересующимся эргономикой и оптимизацией транспортных средств, а также всем, кто увлекается историей техники и неочевидными физическими явлениями в повседневной жизни.