Спектр

До сих пор я говорил о свете так, как будто он весь одинаковый, за исключением разницы в яркости между пучками. На самом деле есть еще один различительный признак, знакомый нам всем, — цвет. Мы знаем, что есть красный цвет, синий, зеленый, и так далее со множеством оттенков.

Раньше принято было считать белый свет Солнца простейшей формой света, «просто» светом. (И действительно, белый до сих пор является цветом чистоты, поэтому молодая невеста идет к алтарю в белом платье.) Цвет же, считалось, образуется, когда к свету добавляется примесь. Если свет проходит через красное стекло или отражается от синей поверхности, к нему примешивается краснота или синева и придает ему свойства, которых он сам по себе не имел.

С этой точки зрения нас привело бы в замешательство, если бы мы увидели, как чистый белый свет солнца отображает цвета без какого-либо воздействия цветного вещества. Одним из таких феноменов, известных людям всех возрастов, является радуга — дуга из разноцветного света, которая иногда появляется на небе, когда солнце выходит после дождя. Загадка радуги привела к появлению множества мифологических объяснений; наиболее известное — что она является мостом между небом и землей. Первая попытка дать ей рациональное объяснение была предпринята римским философом Луцием Аннеем Сенекой (ок. 4 до н.э. – 65 н.э.), который подметил, что радуга очень похожа на игру цветов, которую мы часто видим на краю стекла.

К XVII столетию физики начали подозревать, что радуга, так же как и цвета на краю стекла, каким-то образом производится преломлением света. Французский математик Рене Декарт разработал подробную математическую теорию преломления и полного отражения света сферами из воды. Таким образом, он довольно четко мог просчитать, каким будет положение относительно солнца радуги, появляющейся благодаря преломлению солнечных лучей крошечными капельками воды, остающимися висеть в воздухе после дождя, но не смог просчитать цвет.

Право сделать решающий шаг в этом направлении осталось английскому ученому Исааку Ньютону, трудам которого уделено так много внимания в I части этой книги. В 1666 году он пропустил в темную комнату пучок солнечного света так, чтобы тот упал на призму. Преломленный призмой пучок света затем попал на белую поверхность. И там он предстал не в виде белого луча света, а в виде разных цветов, непрерывно перетекающих друг в друга в том же самом порядке, как и в радуге (красный — оранжевый — желтый — зеленый — голубой — синий — фиолетовый). Это было цветное изображение, и оно получило название спектр, от латинского слова, означающего «изображение».

Если свет спектра формировался на поверхности с маленьким отверстием таким образом, что только один из цветов попадает на него и проходит дальше, и если эти цветные лучи попадают сквозь отверстие на следующую призму, пятно света будет шире, но другие цвета в нем уже не появятся.

^Спектр

Вклад Ньютона заключался не в том, что он получил эти цвета, это делали и до него, а в том, что он предложил им новое объяснение. Единственные ингредиенты, которые производили спектр, — это простой солнечный свет и простое бесцветное стекло призмы. Тогда Ньютон решил, вопреки многолетнему сложившемуся мнению, что свет — не чистый, а является комплексной смесью всех цветов радуги. Он кажется белым только потому, что эта комбинация раздражает сетчатку таким образом, который мозг интерпретирует как «белый цвет».

В пользу этого предположения говорил опыт Ньютона об обратимости создания спектра. Ньютон пустил свет цветного спектра на вторую призму, находящуюся вверх ногами по отношению к первой. Свет в этом случае преломлялся в обратном направлении, и ситуация менялась на противоположную. Если раньше круглый пучок белого света распадался на толстую разноцветную линию, то теперь эта линия вновь сжималась в круг белого света.

Очевидно, белый свет состоит из широкого набора разных видов света, каждый из которых преломляется особым образом. Группа лучей, которые наименее преломляются, дают нам ощущение красного; следующая группа, преломленная чуть больше, дает ощущение оранжевого и так далее вплоть до наиболее преломляемых лучей, которые видятся нам фиолетовыми.

Белый свет из-за этой разницы в преломляемости своих компонентов всегда распадается на цвета, проходя под углом из одной среды в другую с другим коэффициентом преломления. Однако, если вторая среда ограничена параллельными поверхностями (что чаще всего относится к обычному стеклу), этот эффект, получаемый при входе, отменяется при выходе. По этой причине белый свет, входящий в стекло, выходит из него таким же белым. Когда края прозрачной среды не параллельны, как это бывает в призме на грани стекла или в случае круглых капелек воды, разбиение на цвета не отменяется, и в результате мы получаем спектр всех цветов радуги.

Это означает, что при определении коэффициента преломления прозрачного вещества использование белого света приводит к неточностям, поскольку различными цветовыми лучами, содержащимися в нем, демонстрируется достаточное многообразие коэффициентов преломления. По этой причине иногда для определения коэффициента преломления нужно использовать свет[87] какого-то конкретного цвета. Одним из часто используемых приборов является «натриевая лампа» — устройство, в котором свет излучается нагретым в лампе натриевым паром. Свет имеет желтый цвет, и его преломление колеблется в очень незначительном диапазоне.

При таком взгляде на свет легко объяснить существование цветных предметов. Нет необходимости предполагать, что предметы должны быть либо полностью прозрачными (пропускающими все цвета света), либо полностью непрозрачными (не пропускающими никаких). Некоторые вещества вполне могут быть непрозрачными для одних цветов и прозрачными для других. Например, красное стекло может обладать свойством химического вещества, которое поглощает все цвета, кроме красного, и пропускает красный. В этом случае белый свет краснеет, проходя сквозь красное стекло, не потому, что он приобретает от стекла «красноту», а потому, что теряет в этом стекле все компоненты, кроме красного. Таким же образом, предмет может отражать одни цвета и поглощать другие и поэтому предстает глазу окрашенным в определенный цвет.

Не следует, однако, и полагать, что все желтые предметы отражают только желтый свет, а все синие стекла пропускают только синий. Важно различать цвет в физическом и физиологическом понимании. Физически цвет может быть определен через преломление, которому он подвергается, переходя из одного вещества в другое. Физиологически цвет — это то, как его интерпретирует наш мозг. Физиологический механизм сетчатки глаза действует таким образом, что физический оранжевый цвет дает ощущение оранжевого; соответственно он же будет физиологическим оранжевым. Однако сетчатка может таким же образом возбуждаться и смесью цветов, среди которых нет физического оранжевого, например смесью красного и желтого. Эта смесь тоже будет тогда физиологическим оранжевым.

Свет, окрашенный прохождением через цветное стекло или отражением от цветной поверхности, не обязательно содержит физические цвета, соответствующие физиологическим, которые мы видим. Мы можем определить присутствующие физические цвета, пропуская свет сквозь призму; для физиологических цветов достаточно нашего зрения. Если, конечно, наше цветовое зрение не нарушено.

В 1807 году английский ученый Томас Янг (1773–1829) указал, что красный, зеленый и синий цвета могут в правильных сочетаниях давать ощущения всех остальных цветов. Эту мысль позже развил немецкий физиолог Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц (1821–1894), и поэтому она получила название «теория цветового зрения Янга — Гельмгольца».

Многие физиологи считают, что способность красного, зеленого и синего цветов воссоздавать весь спектр происходит из природы сетчатки, то есть, должно быть, в сетчатке существуют три типа цветочувствительных клеток, одни сильнее всего реагируют на красный цвет, другие — на зеленый, третьи — на синий. Степень, в которой определенный цвет спектра или определенная смесь цветов возбуждают клетки каждого из трех типов, и приводит соответственно к цветовым ощущениям, которые нами воспринимаются. Цвет, одинаково раздражающий все три, воспринимается как «белый», цвет, возбуждающий их в одной пропорции, воспринимается как «желтый», в другой — как «фиолетовый» и т. д.

Этот же принцип используется в цветной фотографии. Пленка состоит из трех слоев, один из которых содержит вещество, чувствительное к красному цвету, другой — к синему, третий — к зеленому. В каждой точке изображения свет воздействует на все три слоя в определенной пропорции и в процессе воздействия создает на каждой точке изображения комбинацию цветочувствительных веществ в той же пропорции. Получившаяся смесь воздействует на три рецептора сетчатки, и на фотографии мы видим те же цвета, что и на самом предмете.

Далее, цветная печать тоже может быть произведена через сочетание точек нескольких различных цветов. Любые цвета могут быть воспроизведены путем изменения пропорций представленных цветных точек. Под увеличительным стеклом отдельные точки могут оказаться достаточно большими, чтобы можно было увидеть их настоящий цвет, но, если отдельную точку нельзя увидеть невооруженным глазом, соседние точки будут воздействовать на один и тот же участок сетчатки и производить эффект, результатом которого будет общее восприятие цвета, а не самих точек.

Похожая ситуация происходит и на экране цветного телевизора. Экран покрыт множеством точек, некоторые из которых, реагируя на свет, светятся синим, другие — зеленым, третьи — красным. Каждый участок телевизионного изображения, снятый и переданный камерой, возбуждает эти точки в определенной пропорции яркости, и мы ощущаем эту пропорцию как те же цвета, что присутствовали в изначальном объекте[88].