Что такое черный цвет с точки зрения физики

В 1676 году сэр Исаак Ньютон с помощью трехгранной призмы разложил белый солнечный свет на цветовой спектр. Подобный спектр содержал все цвета за исключением пурпурного.

Ньютон ставил свой опыт следующим образом (рис. 1) солнечный свет пропускался через узкую щель и падал на призму. В призме луч белого цвета расслаивался на отдельные спектральные цвета. Разложенный таким образом он направлялся затем на экран, где возникало изображение спектра. Непрерывная цветная лента начиналась с красного цвета и через оранжевый, желтый, зеленый, синий кончалась фиолетовым. Если это изображение затем пропускалось через собирающую линзу, то соединение всех цветов вновь давало белый цвет.

Эти цвета получаются из солнечного луча с помощью преломления. Существуют и другие физические пути образования цвета, например, связанные с процессами интерференции, дифракции, поляризации и флуоресценции.

Если мы разделим спектр на две части, например — на красно-оранжево-желтую и зелено-сине-фиолетовую, и соберем каждую из этих групп специальной линзой, то в результате получим два смешанных цвета, смесь которых в свою очередь также даст нам белый цвет.

Два цвета, объединение которых дает белый цвет, называются дополнительными цветами.

Если мы удалим из спектра один цвет, например, зеленый, и посредством линзы соберем оставшиеся цвета — красный, оранжевый, желтый, синий и фиолетовый, — то полученный нами смешанный цвет окажется красным, то есть цветом дополнительным по отношению к удаленному нами зеленому. Если мы удалим желтый цвет, то оставшиеся цвета — красный, оранжевый, зеленый, синий и фиолетовый — дадут нам фиолетовый цвет, то есть цвет, дополнительный к желтому.

Каждый цвет является дополнительным по отношению к смеси всех остальных цветов спектра.

В смешанном цвете мы не можем увидеть отдельные его составляющие. В этом отношении глаз отличается от музыкального уха, которое может выделить любой из звуков аккорда.

Различные цвета создаются световыми волнами, которые представляют собой определенный род электромагнитной энергии.

Человеческий глаз может воспринимать свет только при длине волн от 400 до 700 миллимикрон:

• 1 микрон или 1μ = 1/1000 мм = 1/1000000 м.
• 1 миллимикрон или 1mμ = 1/1000000 мм.

Длина волн, соответствующая отдельным цветам спектра, и соответствующие частоты (число колебаний в секунду) для каждого спектрального цвета имеют следующие характеристики:

Отношение частот красного и фиолетового цвета приблизительно равно 1:2, то есть такое же как в музыкальной октаве.

Каждый цвет спектра характеризуется своей длиной волны, то есть он может быть совершенно точно задан длиной волны или частотой колебаний. Световые волны сами по себе не имеют цвета. Цвет возникает лишь при восприятии этих волн человеческим глазом и мозгом. Каким образом он распознает эти волны до настоящего времени еще полностью неизвестно. Мы только знаем, что различные цвета возникают в результате количественных различий светочувствительности.

Остается исследовать важный вопрос о корпусном цвете предметов. Если мы, например, поставим фильтр, пропускающий красный цвет, и фильтр, пропускающий зеленый, перед дуговой лампой, то оба фильтра вместе дадут черный цвет или темноту. Красный цвет поглощает все лучи спектра, кроме лучей в том интервале, который отвечает красному цвету, а зеленый фильтр задерживает все цвета, кроме зеленого. Таким образом, не пропускается ни один луч, и мы получаем темноту. Поглощаемые в физическом эксперименте цвета называются также вычитаемыми.

Цвет предметов возникает, главным образом, в процессе поглощения волн. Красный сосуд выглядит красным потому, что он поглощает все остальные цвета светового луча и отражает только красный.

Когда мы говорим: «эта чашка красная», то мы на самом деле имеем в виду, что молекулярный состав поверхности чашки таков, что он поглощает все световые лучи, кроме красных. Чашка сама по себе не имеет никакого цвета, цвет создается при ее освещении.

Если красная бумага (поверхность, поглощающая все лучи кроме красного) освещается зеленым светом, то бумага покажется нам черной, потому что зеленый цвет не содержит лучей, отвечающих красному цвету, которые могли быть отражены нашей бумагой.

Все живописные краски являются пигментными или вещественными. Это впитывающие (поглощающие) краски, и при их смешивании следует руководствоваться правилами вычитания. Когда дополнительные краски или комбинации, содержащие три основных цвета — желтый, красный и синий, — смешиваются в определенной пропорции, то результатом будет черный, в то время как аналогичная смесь невещественных цветов, полученных в ньютоновском эксперименте с призмой, дает в результате белый цвет, поскольку здесь объединение цветов базируется на принципе сложения, а не вычитания.

Восприятие цвета. Физика

Около 80% всей входящей информации мы получаем визуально
Мы познаем окружающий мир на 78% благодаря зрению, на 13% — слуху, на 3% — тактильным ощущениям, на 3% — обонянию и на 3% — вкусовым рецепторам.
Мы запоминаем 40% увиденного и только 20% услышанного*
*Источник: R. Bleckwenn & B. Schwarze. Учебник дизайна (2004)

Физика цвета. Цвет мы видим только благодаря тому, что наши глаза способны регистрировать электромагнитное излучение в оптическом его диапазоне. А электромагнитное излучение это и радиоволны и гамма излучение и рентгеновское излучение, терагерцевое, ультрафиолетовое, инфракрасное.

Цвет — качественная субъективная характеристика электромагнитного излучения оптического диапазона, определяемая на основании возникающего
физиологического зрительного ощущения и зависящая от ряда физических, физиологических и психологических факторов.
Восприятие цвета определяется индивидуальностью человека, а также спектральным составом, цветовым и яркостным контрастом с окружающими источниками света,
а также несветящимися объектами. Очень важны такие явления, как метамерия, индивидуальные наследственные особенности человеческого глаза
(степень экспрессии полиморфных зрительных пигментов) и психики.
Говоря простым языком цвет — это ощущение, которое получает человек при попадании ему в глаз световых лучей.
Одни и те же световые воздействия могут вызвать разные ощущения у разных людей. И для каждого из них цвет будет разным.
Отсюда следует что споры «какой цвет на самом деле» бессмысленны, поскольку для каждого наблюдателя истинный цвет — тот, который видит он сам

Человеческий глаз – это орган, дающий нам возможность видеть окружающий мир.
Зрение дает нам информации об окружающей действительности больше, чем другие органы чувств: самый большой поток информации в единицу времени мы получаем именно глазами.

Каждое новое утро мы просыпаемся и открываем глаза — наша деятельность не возможна без зрения.
Зрению мы доверяем больше всего и его больше всего используем для получения опыта («не поверю, пока сам не увижу!»).
Мы говорим «с широко открытыми глазами», когда открываем разум навстречу чему-то новому.
Глаза используются нами постоянно. Они позволяют нам воспринимать формы и размеры объектов.
И, что самое главное для колориста, они позволяют нам видеть цвет.
Глаз является очень сложным по своему строению органом. Для нас важно понять, как мы видим цвет и как воспринимаем полученные оттенки на волосах.
Восприятие глаза основывается на светочувствительном внутреннем слое глаза, именуемом сетчаткой.
Отраженные от объектов лучи попадают через зрачок на сетчатку, которая представляет собой прозрачный шарообразный экран толщиной 0.1 — 0.5 мм, на который проецируется окружающий мир. Сетчатка содержит 2 типа фоточувствительных клеток: палочки и колбочки.
Эти клетки являются своего рода датчиками, которые реагируют на падающий свет, преобразовывая его энергию в сигналы, передаваемые в мозг. Мозг переводит эти сигналы в образы, которые мы «видим».

Цвет происходит из света
Чтобы видеть цвета, необходим источник света. В сумерках мир теряет свою цветность. Там, где нет света, возникновение цвета невозможно.

Учитывая огромное, многомиллионное количество цветов и их оттенков, колористу нужно обладать глубокими, полноценными знаниями о цветовосприятии и происхождении цвета.
Все цвета представляют собой часть луча света – электромагнитных волн, исходящих от солнца.
Эти волны являются частью спектра электромагнитного излучения, в который входят гамма-излучение, рентгеновское излучение, ультрафиолетовое излучение, оптическое излучение (свет), инфракрасное излучение, электромагнитное терагерцевое излучение,
электромагнитные микро- и радиоволны. Оптическое излучение – это та часть электромагнитного излучения, которую способны воспринимать наши глазные сенсоры. Мозг обрабатывает полученные от глазных сенсоров сигналы и интерпретирует их в цвет и форму.

Видимое излучение (оптическое)
Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение составляет так называемую оптическую область спектра в широком смысле этого слова.
Выделение такой области обусловлено не только близостью соответствующих участков спектра, но и сходством приборов, применяющихся для её исследования и разработанных исторически главным образом при изучении видимого света (линзы и зеркала для фокусирования излучения, призмы, дифракционные решётки, интерференционные приборы для исследования спектрального состава излучения и пр.).
Частоты волн оптической области спектра уже сравнимы с собственными частотами атомов и молекул, а их длины — с молекулярными размерами и межмолекулярными расстояниями. Благодаря этому в этой области становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества.
По этой же причине, наряду с волновыми, проявляются и квантовые свойства света.

Самым известным источником оптического излучения является Солнце. Его поверхность (фотосфера) нагрета до температуры 6000 градусов по Кельвину и светит ярко-белым светом (максимум непрерывного спектра солнечного излучения расположен в «зелёной» области 550 нм, где находится и максимум чувствительности глаза).
Именно потому, что мы родились возле такойзвезды, этот участок спектра электромагнитного излучения непосредственно воспринимается нашими органами чувств.
Излучение оптического диапазона возникает, в частности, при нагревании тел (инфракрасное излучение называют также тепловым) из-за теплового движения атомов и молекул.
Чем сильнее нагрето тело, тем выше частота, на которой находится максимум спектра его излучения (см.: Закон смещения Вина). При определённом нагревании тело начинает светиться в видимом диапазоне (каление), сначала красным цветом, потом жёлтым и так далее. И наоборот, излучение оптического спектра оказывает на тела тепловое воздействие (см.: Болометрия).
Оптическое излучение может создаваться и регистрироваться в химических и биологических реакциях.
Одна из известнейших химических реакций, являющихся приёмником оптического излучения, используется в фотографии.
Источником энергии для большинства живых существ на Земле является фотосинтез — биологическая реакция, протекающая в растениях под действием оптического излучения Солнца.

Цвет играет огромную роль в жизни обычного человека. Жизнь колориста посвящена цвету.

Заметно, что цвета спектра, начинаясь с красного и проходя через оттенки противоположные, контрастные красному (зелёный, циан), затем переходят в фиолетовый цвет, снова приближающийся к красному. Такая близость видимого восприятия фиолетового и красного цветов связана с тем, что частоты, соответствующие фиолетовому спектру, приближаются к частотам, превышающим частоты красного ровно в два раза.
Но сами эти последние указанные частоты находятся уже вне видимого спектра, поэтому мы не видим перехода от фиолетового снова к красному цвету, как это происходит в цветовом круге, в который включены неспектральные цвета, и где присутствует переход между красным и фиолетовым через пурпурные оттенки.

При прохождении луча света через призму различные по длине волны, его составляющие, преломляются под разными углами. В результате мы можем наблюдать спектр света. Этот феномен очень похож на феномен радуги.

Следует различать солнечный свет и свет, исходящий от искусственных источников освещения. Только солнечный свет можно считать чистым светом.
Все остальные искусственные источники освещения будут влиять на восприятие цвета. Например, лампы накаливания являются источниками теплого (желтого) света.
Флуоресцентные лампы, чаще всего, дают холодный (синий) свет. Для корректной диагностики цвета необходим дневной свет или же источник освещения, максимально к нему приближенный.
Только солнечный свет можно считать чистым светом. Все остальные искусственные источники освещения будут влиять на восприятие цвета.

Многообразие цветов: Цветовосприятие основывается на способности различать изменения в направлении тона, светлоте/яркости и насыщенности цвета в оптическом диапазоне с длинами волн от 750 нм (красный) до 400 нм (фиолетовый).
Изучив физиологию восприятия цвета, мы можем лучше понять, как формируется цвет, и использовать эти знания на практике.

Мы воспринимаем все многообразие цветов только при наличии и нормальном функционировании всех конусных сенсоров.
Мы способны различать тысячи различных направлений тона. Точное количество зависит от способности глазных сенсоров улавливать и различать световые волны. Эти способности можно развивать тренировками и упражнениями.
Цифры, приведенные ниже, звучат невероятно, но это реальные способности здорового и хорошо подготовленного глаза:
Мы можем различать около 200 чистых цветов. Меняя их насыщенность, мы получаем приблизительно по 500 вариаций каждого цвета. Меняя их светлоту, получаем еще по 200 нюансов каждой вариации.
Хорошо подготовленный человеческий глаз способен различать до 20 миллионов цветовых нюансов!
Цвет субъективен, поскольку мы все воспринимаем его по-разному. Хотя, пока наши глаза здоровы, эти отличия незначительны.

Мы можем различать 200 чистых цветов
Меняя насыщенность и светлоту этих цветов, мы можем различать до 20 миллионов оттенков!

“You only see what you know. You only know what you see.”
«Вы видите только ведомое. Вы ведаете только видимое ».
Марсель Пруст (французский романист), 1871-1922.

Восприятие нюансов одного цвета не одинаково для разных цветов. Тоньше всего мы воспринимаем изменения в зеленом спектре — достаточно изменения длины волны всего на 1 нм, чтобы мы могли увидеть отличие. В красном и синем спектрах необходимо изменение длины волны на 3-6 нм, чтобы отличие стало заметно для глаза. Возможно, отличие в более тонком восприятии зеленого спектра было связано с необходимостью отличать съедобное от несъедобного во времена зарождения нашего вида (профессор, доктор археологии, Герман Крастел BVA).

Цветные картинки, возникающие в нашем сознании, – это кооперация глазных сенсоров и мозга. Мы «ощущаем» цвета, когда конические сенсоры, находящиеся в сетчатке глаза, генерируют сигналы под воздействием попадающих на них волн определенной длины и передают эти сигналы в мозг. Поскольку в цветовосприятии задействованы не только глазные сенсоры, но и мозг, то в результате мы не только видим цвет, но и получаем на него определенный эмоциональный отклик.

Наше уникальное цветоощущение никоим образом не меняет наш эмоциональный отклик на определенные цвета., отмечают ученые. Независимо от того, каков для человека голубой цвет, он всегда становится немного более спокойным и расслабленным, смотря на небо. Короткие волны голубого и синего цветов успокаивают человека, тогда как длинные волны (красный, оранжевый, желтый) наоборот – придают активности и живости человеку.
Эта система реакции на цвета присуща каждому живому организму на Земле – от млекопитающих до одноклеточных (например, одноклеточные «предпочитают» обрабатывать рассеянный свет желтого цвета в процессе фотосинтеза). Считается, что данная взаимосвязь цвета и нашего самочувствия, настроения обуславливается дневным/ночным циклом существования. Например, на рассвете все окрашено в теплые и яркие цвета – оранжевый, желтый – это сигнал каждому, даже самому маленькому существу, что начался новый день и пора приниматься за дела. Ночью и в полдень, когда течение жизни замедляется, вокруг доминируют синие и фиолетовые оттенки.
В своих исследованиях Джей Нейц и его коллеги из Университета штата Вашингтон отметили, что изменение цвета рассеянного света может изменить суточный цикл рыб, в то время как изменение интенсивности этого света не имеет решающего влияния. На этом эксперименте и базируется предположение ученых, что именно благодаря доминированию синего цвета в ночной атмосфере (а не просто темнота), живые существа чувствуют усталость и желание спать.
Но наши реакции не зависят от цветочувствительных клеток сетчатки. В 1998 году ученые обнаружили совершенно отдельный набор цветовых рецепторов – меланопсинов – в человеческом глазу. Эти рецепторы определяют количество синего и желтого цветов в окружающем нас пространстве и отправляют эту информацию в участки мозга, отвечающие за регулирование эмоций и циркадного ритма. Ученые считают, что меланопсины – очень древняя структура, отвечавшая за оценку количества цветов еще в незапамятные времена.
«Именно благодаря этой системе, наше настроение и активность поднимаются, когда вокруг преобладают оранжевый, красный или желтый цвета», — считает Нейц. «Но наши индивидуальные особенности восприятия различных цветов – это совсем другие структуры – синие, зеленые и красные колбочки. Поэтому, тот факт, что у нас одинаковые эмоциональные и физические реакции на одни и те же цвета не может подтвердить, что все люди видят цвета одинаково».
Люди, которые в силу некоторых обстоятельств имеют нарушения в цветовосприятии, часто не могут видеть красный, желтый или синий цвет, но, тем не менее, их эмоциональные реакции не разнятся с общепринятыми. Для вас небо всегда голубое и оно всегда дарит ощущение умиротворенности, даже если для кого-то ваш «голубой» является «красным» цветом.

Три характеристики цвета.

Светлота — степень близости цвета к белому называют светлотой.
Любой цвет при максимальном увеличении светлоты становится белым
Другое понятие светлоты относится не к конкретному цвету, а к оттенку спектра, тону. Цвета, имеющие различные тона при прочих равных характеристиках, воспринимаются нами с разной светлотой. Жёлтый тон сам по себе — самый светлый, а синий или сине-фиолетовый — самый тёмный.

Насыщенность – степень отличия хроматического цвета от равного ему по светлоте ахроматического, «глубина» цвета. Два оттенка одного тона могут различаться степенью блёклости. При уменьшении насыщенности каждый хроматический цвет приближается к серому.

Цветовой тон — характеристика цвета, отвечающая за его положение в спектре: любой хроматический цвет может быть отнесён к какому-либо определённому спектральному цвету. Оттенки, имеющие одно и то же положение в спектре (но различающиеся, например, насыщенностью и яркостью), принадлежат к одному и тому же тону. При изменении тона, к примеру, синего цвета в зеленую сторону спектра он сменяется голубым, в обратную — фиолетовым.
Иногда изменение цветового тона соотносят с «теплотой» цвета. Так, красные, оранжевые и жёлтые оттенки, как соответствующие огню и вызывающие соответствующие психофизиологические реакции, называют тёплыми тонами, голубые, синие и фиолетовые, как цвет воды и льда — холодными. Следует учесть, что восприятие «теплоты» цвета зависит как от субъективных психических и физиологических факторов (индивидуальные предпочтения, состояние наблюдателя, адаптация и др.), так и от объективных (наличие цветового фона и др.). Следует отличать физическую характеристику некоторых источников света — цветовую температуру от субъективного ощущения «теплоты» соответственного цвета. Цвет теплового излучения при повышении температуры проходит по «тёплым оттенкам» от красного через жёлтый к белому, но максимальную цветовую температуру имеет цвет циан.

Человеческий глаз – это орган, дающий нам возможность видеть окружающий мир.
Зрение даёт нам информации об окружающей действительности больше, чем другие органы чувств: самый большой поток информации в единицу времени мы получаем именно глазами.

Каждое новое утро мы просыпаемся и открываем глаза — наша деятельность не возможна без зрения.
Зрению мы доверяем больше всего и его больше всего используем для получения опыта («не поверю, пока сам не увижу!»).
Мы говорим «с широко открытыми глазами», когда открываем разум навстречу чему-то новому.
Глаза используются нами постоянно. Они позволяют нам воспринимать формы и размеры объектов.
И, что самое главное для колориста, они позволяют нам видеть цвет.
Глаз является очень сложным по своему строению органом. Для нас важно понять, как мы видим цвет и как воспринимаем полученные оттенки на волосах.
Восприятие глаза основывается на светочувствительном внутреннем слое глаза, именуемом сетчаткой.
Отражённые от объектов лучи попадают через зрачок на сетчатку, которая представляет собой прозрачный шарообразный экран толщиной 0.1 — 0.5 мм, на который проецируется окружающий мир. Сетчатка содержит 2 типа фоточувствительных клеток: палочки и колбочки.
Эти клетки являются своего рода датчиками, которые реагируют на падающий свет, преобразовывая его энергию в сигналы, передаваемые в мозг. Мозг переводит эти сигналы в образы, которые мы «видим».

Человеческий глаз представляет из себя сложную систему, главной целью которой является наиболее точное восприятие, первоначальная обработка и передача информации, содержащейся в электромагнитном излучении видимого света. Все отдельные части глаза, а также клетки, их составляющие, служат максимально полному выполнению этой цели.
Глаз — это сложная оптическая система. Световые лучи попадают от окружающих предметов в глаз через роговицу. Роговица в оптическом смысле — это сильная собирающая линза, которая фокусирует расходящиеся в разные стороны световые лучи. Причём оптическая сила роговицы в норме не меняется и дает всегда постоянную степень преломления. Склера является непрозрачной наружной оболочкой глаза, соответственно, она не принимает участия в проведении света внутрь глаза.
Преломившись на передней и задней поверхности роговицы, световые лучи проходят беспрепятственно через прозрачную жидкость, заполняющую переднюю камеру, вплоть до радужки. Зрачок, круглое отверстие в радужке, позволяет центрально расположенным лучам продолжить свое путешествие внутрь глаза. Более периферийно оказавшиеся лучи задерживаются пигментным слоем радужной оболочки. Таким образом, зрачок не только регулирует величину светового потока на сетчатку, что важно для приспособления к разным уровням освещённости, но и отсеивает боковые, случайные, вызывающие искажения лучи. Далее свет преломляется хрусталиком. Хрусталик тоже линза, как и роговица. Его принципиальное отличие в том, что у людей до 40 лет хрусталик способен менять свою оптическую силу — феномен, называемый аккомодацией. Таким образом, хрусталик производит более точную до фокусировку. За хрусталиком расположено стекловидное тело, которое распространяется вплоть до сетчатки и заполняет собой большой объем глазного яблока.
Лучи света, сфокусированные оптической системой глаза, попадают в конечном итоге на сетчатку. Сетчатка служит своего рода шарообразным экраном, на который проецируется окружающий мир. Из школьного курса физики мы знаем, что собирательная линза дает перевёрнутое изображение предмета. Роговица и хрусталик — это две собирательные линзы, и изображение, проецируемое на сетчатку, также перевёрнутое. Другими словами, небо проецируется на нижнюю половину сетчатки, море — на верхнюю, а корабль, на который мы смотрим, отображается на макуле. Макула, центральная часть сетчатки, отвечает за высокую остроту зрения. Другие части сетчатки не позволят нам ни читать, ни наслаждаться работой на компьютере. Только в макуле созданы все условия для восприятия мелких деталей предметов.
В сетчатке оптическая информация воспринимается светочувствительными нервными клетками, кодируется в последовательность электрических импульсов и передается по зрительному нерву в головной мозг для окончательной обработки и сознательного восприятия.

Конусные сенсоры (0,006 мм в диаметре) способны различать малейшие детали, соответственно активными они становятся при интенсивном дневном или искусственном освещении. Они гораздо лучше, чем палочки, воспринимают быстрые движения и дают высокое визуальное разрешение. Но их восприятие снижается при уменьшении интенсивности света.

Самая высокая концентрация колбочек находится в середине сетчатки, в точке называемой центральной ямкой. Здесь концентрация колбочек достигает 147,000 на квадратный миллиметр, обеспечивая максимальное визуальное разрешение картинки.
Чем ближе к краям сетчатки, тем ниже концентрация конусных сенсоров (колбочек) и тем выше концентрация цилиндрических сенсоров (палочек), отвечающих за сумеречное и периферийное зрение. В центральной ямке палочки отсутствуют, что объясняет нам, почему ночью мы лучше видим тусклые звезды, когда смотрим на точку рядом с ними, а не на них самих.

Существует 3 типа конусных сенсоров (колбочек), каждый из которых отвечает за восприятие одного цвета:
Чувствительный к красному (750 нм)
Чувствительный к зеленому (540 нм)
Чувствительный к синему (440 нм)
Функции колбочек: Восприятие в условиях интенсивной освещенности (дневное зрение)
Восприятие цветов и мелких деталей. Количество колбочек в человеческом глазе: 6-7 миллионов

Эти 3 типа колбочек позволяют нам видеть все многообразие цветов окружающего мира. Поскольку все остальные цвета являются результатом сочетания сигналов, поступающих от этих 3 видов колбочек.

Например: Если объект выглядит желтым – это означает, что отраженные от него лучи стимулируют чувствительные к красному и чувствительные к зеленому колбочки. Если цвет объекта оранжево-желтый – это означает, что чувствительные к красному колбочки были простимулированы сильнее, а чувствительные к зеленому – слабее.
Белый мы воспринимаем в тех случаях, когда все три типа колбочек простимулированы одновременно в равной интенсивности. Такое трехцветное зрение описывается в теории Юнга-Гельмгольца.
Теория Юнга—Гельмгольца объясняет восприятие цвета только на уровне колбочек сетчатки, не раскрывая все феномены цветоощущения, такие как цветовой контраст, цветовая память, цветовые последовательные образы, константность цвета и др., а также некоторые нарушения цветового зрения, например, цветовую агнозию.

Ощущение цвета зависит от комплекса физиологических, психологических и культурно-социальных факторов. Существует т.н. цветоведение — анализ процесса восприятия и различения цвета на основе систематизированных сведений из физики, физиологии и психологии. Носители разных культур по-разному воспринимают цвет объектов. В зависимости от важности тех или иных цветов и оттенков в обыденной жизни народа, некоторые из них могут иметь большее или меньшее отражение вязыке. Способность цветораспознавания имеет динамику в зависимости от возраста человека. Сочетания цветов воспринимаются гармоничными (гармонирующими) либо нет.

Изучение теорие цвета и тренировка цветовосприятия важны в любой профессии работающей с цветом.
Глаза и разум нужно тренировать для постижения всех тонкостей цвета, также как тренируются и оттачиваются навыки стрижки или иностранные языки: повторение и практика.

Эксперимент 1: Выполняйте упражнение ночью. Выключите свет в комнате – вся комната мгновенно погрузится во мрак, вы ничего не будете видеть. Через несколько секунд глаза привыкнут к низкой освещенности и начнут все четче выявлять контрасты.
Эксперимент 2: Положите перед собой два чистых белых листа бумаги. На середину одного из них положите квадратик красной бумаги. В середине красного квадратика нарисуйте маленький крестик и в течение нескольких минут смотрите на него, не отрывая взора. Затем переведите взгляд на чистый белый лист бумаги. Почти сразу вы увидите на нем образ красного квадратика. Только цвет у него будет другой — голубовато-зеленый. Через несколько секунд он начнет бледнеть и вскоре исчезнет. Почему это происходит? Когда глаза были сфокусированы на красном квадрате, интенсивно возбуждался соответствующий этому цвету тип колбочек. При переводе взгляда на белый лист интенсивность восприятия этих колбочек резко падает и более активными становятся два других типа колбочек – зелено- и синечувствительных.

Физика цвета

Физика цвета изучает природу явления: расщепление света на спектры и их значения; отражение волн от предметов и их свойства.

Как такового цвета в природе не существует. Цвет — продукт умственной переработки информации, которая поступает через глаз в виде световой волны.

Человек может отличить до 100 000 оттенков: волны от 400 до 700 миллимикрон. Вне различимых спектрах лежат инфракрасный ( с длинной волны более 700 н/м) и ультрафиолет (с длинной волны меньше 400 н/м).

В 1676 г И. Ньютон провел эксперимент по расщеплению светового луча с помощью призмы. В результате он получил 7 явно различимых цветов спектра.

Длина волны в н/м

Эти цвета часто сокращают до 3 основных (см. основные цвета)

Волны имеют не только длину, но и частоту колебаний. Эти величины взаимосвязаны, поэтому задать определенную волну можно либо длиной, либо частотой колебаний.

Получив непрерывный спектр, Ньютон пропустил его через собирающую линзу и получил белый цвет. Тем самым доказав:

1 Белый цвет состоит из всех цветов.
2 Для цветовых волн действует принцип сложения
3 Отсутствие света ведет к отсутствию цвета.
4 Черный – это полное отсутствие цвета.

В ходе экспериментов было выяснено, что сами предметы цвета не имеют. Освещенные светом, они отражают часть световых волн, а часть поглощают, в зависимости от своих физических свойств. Отраженные световые волны и будут цветом предмета.
(Например, если на синюю кружку посветить светом, пропущенным через красный фильтр, то мы увидим, что кружка черная, потому что синие волны блокируются красным фильтром, а кружка может отражать только синие волны)

Получается, что ценность краски в ее физических свойствах, но если вы решите смешать синий, желтый и красный (потому что остальные цвета можно получить из комбинации основных цветов (см. основные цвета) ), то получите не белый цвет (как если бы вы смешали волны), а неопределенно темный цвет, так как в данном случае действует принцип вычитания.

Принцип вычитания говорит: любое смешивание ведет к отражению волны с меньшей длиной.
Если смешать желтый и красный, то получится оранжевый, длина волны которого меньше длины волны красного. При смешивании красного, желтого и синего получается неопределенно темный цвет – отражение, стремящееся к минимальной воспринимаемой волне.

Этим свойством объясняется маркость белого цвета. Белый цвет – отражение всех цветовых волн, нанесение любого вещества ведет к уменьшению отражения, и цвет становится не чисто белым.

Черный же цвет наоборот. Чтобы выделиться на нем, нужно повысить длину волны и количество отражений, а смешивание ведет на понижение волны.

Что такое цвет с точки зрения физики?

Природа подарила человеку радость цветового восприятия: мы видим всё окружающее в многообразии цветов и оттенков и даже не задумываемся о том, что может быть иначе.

Учёные утверждают, что многие животные не различают цветов или видят их не так, как люди. Но что такое цвет с точки зрения физики? Вопрос не такой уж простой, как кажется на первый взгляд.

Что такое цвет в физике?

С точки зрения физики разные цвета предметов не существуют сами по себе. Они ощущаются нами лишь благодаря различным длинам отражаемых и поглощаемых поверхностями волн электромагнитного излучения в диапазоне видимого света. Каждому цвету спектра соответствует свой диапазон частот, но лишь восприятие наших зрительных органов и преобразование зрительных импульсов мозгом создаёт яркую цветную картинку.

При падении на предмет белого светового луча большинство из составляющих его световых волн поглощается поверхностью, и лишь некоторая часть, находящаяся в определённом диапазоне, отражается. Световые волны этого диапазона мы и воспринимаем как цвет, присущий предмету. Фактически цвет у предметов появляется только при попадании на них света.

Вспомним народную поговорку: «Ночью все кошки серы». Когда света недостаточно, глаз не может выделить в отражаемых волнах цветовые диапазоны, и все предметы кажутся серыми либо чёрными.

Нюансы терминологии

Если говорить о цветах с точки зрения физики, то речь идёт об электромагнитных волнах, длина которых лежит в интервале от 0,1 Ангстрем до примерно 105 Ангстрем. Этот диапазон воспринимается нашими органами зрения и является тем, что мы называем видимым светом.

Однако в научно-популярной, а порой и в научной литературе речь нередко идёт именно о цветах и цветовом восприятии монохроматического либо узкополосного электромагнитного излучения в вышеуказанном диапазоне. При этом обсуждается, как правило, не проблема цветовосприятия, а свойства, присущие электромагнитному излучению, независимо от того, как оно воспринимается нашими органами зрения.

Разница между видимой и невидимыми частями полного спектра электромагнитных волн является в основном количественной, а не качественной. Видимое излучение с длиной волн в диапазоне от 400 до 700 нм по своим характеристикам мало отличается от теплового излучения, длины волн которого лежат в диапазоне от 1000 до 2000 нм, однако первое воспринимается нами как свет, а второе – как тепло.

На практике существуют такие области физики, как оптика, изучающая в основном свойства видимого диапазона излучения, и тепловая энергетика, предметом изучения которой является преимущественно тепловой диапазон электромагнитных волн.

Невидимые цвета

Мы способны воспринимать электромагнитные волны, длины которых распределяются между 380 нм (соответствует глубокому фиолетовому цвету) и 730 нм (соответствует красному цвету). Но с обеих сторон этого диапазона существуют излучения, которые глаз человека не воспринимает.

Волны короче 380 нм мы называем ультрафиолетовыми, а длиннее 730 нм – инфракрасными. Ультрафиолетовое излучение могут воспринимать многие насекомые и некоторые животные – например, летучие мыши. Иногда люди тоже могут видеть более широкую спектральную картину благодаря особенностям своих зрительных органов.

Существуют электромагнитные волны, более короткие, чем ультрафиолетовые – это рентгеновское и гамма-излучение. Как известно, даже ультрафиолет в больших дозах вреден для человека. Излучение, длина волны которого меньше 100 нм, в больших дозах является смертельно опасным. В природной среде мы надёжно защищены от этих волн, поступающим к нам из космоса, экранирующим озоновым слоем.

Волны, длина которых превышает 2000 нм, т.е. лежит за пределами теплового инфракрасного диапазона, называют радиоволнами. Их длина может колебаться от нескольких миллиметров до сотен и тысяч километров. Короткие радиоволны используются в мобильной телефонной связи, в бытовых микроволновых печах и других приборах. Благодаря использованию длинных волн функционирует радиосвязь.

Цветовосприятие и дальтонизм

Итак, цвета – это отражённое излучение электромагнитных волн, лежащих в очень узком диапазоне длин. Есть люди, у которых нарушен нормальный механизм цветовосприятия. Их называют дальтониками, и они по каким-то причинам не могут видеть часть обычного видимого спектра.

Восприятие цветов сдвинуто у них либо в сторону красной части спектра (ухудшено восприятие фиолетового и синего), ибо в сторону синей части (ухудшено восприятие красного цвета). Дальтонизм может быть наследственным либо возникает из-за травмы сетчатки глаза, возрастных изменений или болезни.

Физика цвета

Что такое цвет с точки зрения физики? Вопрос не такой уж простой, как кажется на первый взгляд. Цвет есть физическое свойство света. С точки зрения физики разные цвета предметов не существуют сами по себе.

Физика рассматривает цвет как электромагнитную волну. Любая волна имеет длину – расстояние между гребнями. Длина волны обратно пропорциональна ее частоте. Та длина волны, которую способен воспринимать человеческий глаз является видимым светом. Свет с большой длиной волны(низкочастотные волны) наш глаз воспринимает как красный, а свет с наименьшей длиной(высокочастотные волны) — как фиолетовый. Да, звучит немного заумно, но из этого следует, что цвета которые мы воспринимаем различаются в зависимости от длины волны(частоты) видимого света. Каждому цвету спектра соответствует свой диапазон частот.

Почему мы видим цвет так?

Природа подарила человеку радость цветового восприятия: мы видим всё окружающее в многообразии цветов и оттенков и даже не задумываемся о том, что может быть иначе. Основная причина того, что мы видим цвет именно таким, заключается в воздействии света с определенной длиной волн на сетчатку глаза. Свет с самой большой длиной волны называется инфракрасным, а свет с максимально короткой длиной волны – ультрафиолетовым. Но, человеческому глазу не доступен ни инфракрасный, ни ультрафиолетовый свет, при этом мы воспринимаем большой диапазон волн других цветов.

Например, при падении на предмет белого светового луча большинство из составляющих его световых волн поглощается поверхностью, и лишь некоторая часть, находящаяся в определённом диапазоне, отражается. Световые волны этого диапазона мы и воспринимаем как цвет, присущий предмету. Фактически цвет у предметов появляется только при попадании на них света. К примеру, достаточно посмотреть на банан – этот фрукт поглощает весь свет кроме желтого, который собственно вы обычно и видите.

Анатомия человека

Особенности восприятия наших зрительных органов и преобразования зрительных импульсов мозгом позволяет человеку увидеть яркую цветную картинку. Свет воспринимается в слое клеток, который покрывает заднюю поверхность глазного яблока и называется сетчаткой. Имеются три типа воспринимающих свет клеток — колбочек, которые реагируют примерно на красный, зеленый и синий свет. Каждая колбочка отправляет в мозг сигнал — и вы видите какой-то цвет. Остальные цвета получаются путем совместной передачи сигналов от нескольких типов колбочек и их смешивания нашим мозгом. Например: красный + зеленый = желтый

Когда света недостаточно, в сетчатке активизируется клетки-палочки. Так как их существует только одна разновидность, то только один тип сигнала может поступить в мозг: есть свет или нет. Глаз не может выделить в отражаемых волнах цветовые диапазоны и все предметы кажутся серыми либо чёрными. Вспомним народную поговорку: «Ночью все кошки серы».

Невидимые цвета

Человеческий глаз способен воспринимать как длинные, так и короткие волны, но, с обеих сторон диапазона существуют излучения, свет от которых мы попросту не можем увидеть. Более короткие чем ультрафиолетовые и более длинные чем инфракрасные волны мы попросту не замечаем. Дальтоники, из-за различного рода отклонений в восприятии света, не способны воспринимать даже видимую часть светового спектра.

Существуют так же цвета, которые человек не может увидеть из-за особенности функционирования нашего мозга. Человеку трудно увидеть красный с зеленым оттенком и желтый с синим оттенком. Почему так происходит можно узнать из статьиНевозможные цвета.

И кстати, по мнению ученых, мир выглядит либо абсолютно черным, либо полностью белым, то есть без цветового восприятия наша жизнь была бы крайне мрачной и скорее походила бы на декорации какого-то фантастического фильма.

Физика цвета

Всю жизнь мы окружены невероятным буйством цветов. В отличие от большинства млекопитающих, люди воспринимают мир в виде красочных картин. Мы сталкиваемся с цветом каждый день, он приобрел для нас большое значение и играет важную роль в повседневных делах. Но что такое цвет? Как он образуется и почему мы видим его? На эти и другие вопросы я постараюсь ответить в своей статье.

Что такое свет и цвет

Поскольку цвет — это способность объектов отражать или излучать световые волны отдельной части спектра, начнем с определения того, что же такое свет.

С древних времен люди пытались понять природу света. Так, например, древнегреческий философ Пифагор сформулировал теорию света, в которой утверждал, что непосредственно из глаз испускаются прямолинейные лучи видимого света, которые, попадая на объект и ощупывая его, дают людям возможность видеть. Согласно Эмпедоклу, богиня любви Афродита поместила в наши глаза четыре элемента — огонь, воду, воздух и землю. Именно свет внутреннего огня, считал философ, помогает людям видеть объекты материального мира. Платон же предполагал, что существуют две формы света — внутренняя (огонь в глазах) и внешняя (свет внешнего мира) — и их смешение дает людям зрение.

По мере изобретения и развития различных оптических приборов представления о свете развивались и трансформировались. Так в конце XVII века возникли две основные теории света — корпускулярная теория Ньютона и волновая теория Гюйгенса.

Согласно корпускулярной теории, свет представлялся в виде потока частиц (корпускул), излучаемых светящимся объектом. Ньютон считал, что движение световых частиц подчинено законам механики, то есть, например, отражение света понималось как отражение упругого мячика от поверхности. Преломление света ученый объяснял изменением скорости световых частиц при переходе между разными средами.

В волновой теории, в отличие от корпускулярной, свет рассматривался как волновой процесс, подобно механическим волнам. В основе теории лежит принцип Гюйгенса, по которому каждая точка, до которой доходит световая волна, становится центром вторичных волн. Теория Гюйгенса позволила объяснить такие световые явления, как отражение и преломление.

Таким образом, весь XVIII век стал веком борьбы двух теорий света. В первой трети XIX века, однако, корпускулярная теория Ньютона была отвергнута и восторжествовала волновая теория.

Важным открытием XIX века стала выдвинутая английским ученым Максвеллом электромагнитная теория света. Исследования привели его к выводу, что в природе должны существовать электромагнитные волны, скорость которых достигает скорости света в безвоздушном пространстве. Ученый считал, что световые волны имеют ту же природу, что и волны, возникающие вокруг провода с переменным электрическим током, и отличаются друг от друга лишь длиной.

В 1900 году Макс Планк выдвинул новую квантовую теорию света, согласно которой, свет является потоком определенных и неделимых порций энергии (кванты, фотоны). Развитая Эйнштейном, квантовая теория смогла объяснить не только фотоэлектрический эффект, но и закономерности химического действия света и ряд других явлений.

В настоящее время в науке преобладает корпускулярно-волновой дуализм, то есть свету приписывается двойственная природа. Так при распространении света проявляются его волновые свойства, в то время как при его испускании и поглощении — квантовые.

Но как из света получается цвет? В 1676 году Исаак Ньютон с помощью трёхгранной призмы разложил белый солнечный свет на цветовой спектр, который содержал все цвета кроме пурпурного. Ученый проводил свой опыт следующим образом: белый солнечный свет проходил сквозь узкую щель и пропускался через призму, после чего направлялся на экран, где возникало изображение спектра. Непрерывная цветная полоса начиналась с красного и через оранжевый, желтый, зеленый и синий заканчивалась фиолетовым. Если же это изображение пропускалось через собирающую линзу, то на выходе вновь получался белый свет. Таким образом, Ньютон открыл, что белый свет — это комбинация всех цветов.

Любопытным было и следующее наблюдение: если из цветового спектра убрать один из цветов, например, зеленый, а остальные пропустить через собирающую линзу, то полученный в итоге цвет окажется красным — дополнительным к удаленному цвету.

По сути, каждый цвет создается электромагнитными волнами определенной длины. Человеческий глаз способен видеть цвета с длиной волны в диапазоне от 400 до 700 миллимикрон, где наименьшая длина волны соответствует фиолетовому цвету, а наибольшая — красному. Поскольку каждый цвет спектра характеризуется своей длиной волны, то он может быть точно задан длиной волны или частотой колебаний. Сами по себе световые волны бесцветны, цвет возникает лишь при восприятии волн человеческим глазом и мозгом. Однако механизм, по которому мы распознаем эти волны, до сих пор неизвестен.

Что касается цвета предметов, то он возникает, фактически, в процессе поглощения световых волн. То есть, если мы видим, что предмет зеленого цвета, по сути, это означает, что молекулярный состав его поверхности таков, что он поглощает все волны, кроме зеленых. Сами по себе предметы не имеют никакого цвета и обретают его лишь при освещении.

История теории цвета

Одна из первых известных теорий цвета была изложена в трактате «О цвете», написанном в древней Греции. В нем утверждается, что все цвета существуют в спектре между светом и тьмой, а четыре основные цвета происходят из основных стихий: огня, воды, воздуха и земли. Несмотря на наивность и ошибочность взглядов, трактат содержал ряд важных наблюдений, например, о том, что тьма — это отсутствие света, а не цвет.

В 1704 году Исаак Ньютон опубликовал первое издание «Оптики», в котором впервые разложил цветовой спектр по кругу. Это положило начало традиции применения геометрических фигур для изображения цветовых моделей. Так как Ньютон открыл, что соотношение первого и последнего цветов в спектре приблизительно равно 1:2, то есть как в музыкальной октаве, имеющей семь интервалов, количество основных цветов в круге он выбрал по аналогии, разделив круг на семь неравных сегментов в зависимости от интенсивности цвета в спектре.

В 1810 году немецкий поэт, мыслитель и ученый Вольфганг фон Гёте издал свою книгу «Теория цвета», которую посвятил восприятию цвета человеком. Он провел множество экспериментов, в которых измерял реакцию глаза на определенные цвета. Гёте создал, пожалуй, самый известный цветовой круг, на котором расположил три основных цвета — красный, синий и желтый — и три дополнительных, созданных из основных — оранжевый, зеленый и фиолетовый. Гёте полагал, что из основных цветов можно составить все остальные цвета.

Пытаясь создать единую цветовую систему художники начали изображать цветовой спектр в виде объемных фигур. Отличным примером могут послужить цветовые треугольники Тобиаса Майера, которые он опубликовал в своей книге «Комментарий о родстве цветов» в 1775 году. Он расположил в углах треугольника традиционные основные цвета — красный, желтый и синий — и заполнил внутреннее пространство, смешивая противоположные оттенки. Для создания объема он добавил измерение яркости цвета, располагая треугольники разной яркости друг над другом. Таким образом, конкретный цвет стал определяться положением в трехмерном пространстве, что используется и сегодня.

В 1810 году свою теорию цвета издал немецкий художник Филипп Отто Рунге. К основным цветам он причислил белый и черный, расположив их на полюсах своей цветовой сферы, между которыми разместились цветовые пояса. К сожалению, сфера не делала различия между яркостью и насыщенностью цвета и в результате представляла лишь небольшой градиент по интенсивности цвета. Тем не менее, его цветовая сфера послужила основой для последующих цветовых моделей.

В 1839 году французский химик Мишель Эжен Шеврёль представил свою цветовую полусферу. Оттенки для своей модели он выбирал визуально, а не на основе количественного соотношения цветов в них. Для проверки правильности выбора дополнительных цветов в своей модели Шеврёль использовал метод остаточного изображения: если человек будет долго смотреть на зеленый квадрат, а затем переведет взгляд на белую стену, то он увидит красный цвет. Это происходит из-за того, что зеленые рецепторы в сетчатке глаза устают и им требуется дополнительный к зеленому цвет для равновесия.

В начале XX века американский художник Альберт Генри Манселл создал одну из наиболее значимых в истории цветовых моделей, так называемое цветовое дерево Манселла. Основная особенность этой модели заключается в том, что Манселл по-новому обозначил пространственные координаты: оттенок определял тип цвета (красный, синий, желтый), значение определяло яркость (наличие белого в цвете) и цветность отвечала за насыщенность цвета (его чистоту). Эти обозначения используются и сегодня в цветовой модели HSV.

В настоящее время в дизайне, живописи и архитектуре широко используется цветовой круг швейцарского художника и педагога Иоханнеса Иттена. В его 12-частном круге изображена наиболее распространенная система распределения цветов и их взаимодействия. Иттен выделил основные цвета (синий, красный и желтый), вторичные цвета, получаемые при смешении основных (оранжевый, зеленый и фиолетовый) и третичные цвета, которые образуются при смешении вторичного цвета с основным.