Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

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].

Тот факт, что белый цвет является смесью цветов, объясняет феномен, считавшийся раздражающим несовершенством телескопов. Параллельный пучок лучей света, проходя сквозь собирающую линзу, собирается в фокус с другой стороны линзы. Точное положение этого фокуса зависит от степени, с которой свет преломляется, проходя сквозь линзу, и в этом кроется проблема, поскольку свет состоит из смеси цветов, каждый из которых имеет свою преломляемость, и почти всегда цвет, проходящий через линзы телескопов и микроскопов, — белый.

Красная составляющая белого цвета меньше преломляется, проходя сквозь линзу, и приходит к фокусу в одной точке. Оранжевая составляющая преломляется несколько больше и приходит к фокусу в другой точке, чуть ближе расположенной к линзе, чем красная. Желтый цвет фокусируется еще ближе, а за ним идут зеленый, голубой, синий, и ближе всех фиолетовый. Это означает, что если глаз приникает к окуляру телескопа таким образом, что красная составляющая света от небесного тела сфокусирована на сетчатке, то остальные цвета будет фокусироваться дальше от глаза и соответственно их изображение будет более широким и размытым. Изображение небесного тела будет окружено синим ореолом. Если глаз приник таким образом, что на нем сфокусирована фиолетовая составляющая спектра, то все остальные, получается, будут еще не достигшими фокуса, и ореол будет оранжевым. Ничего не остается делать, кроме как фокусировать глаз где-то посередине и терпеть цветные ореолы, которые в таком случае становятся минимальными, но не исчезают.

Это называется хроматической аберрацией; слово «хроматическая» происходит от греческого слова, означающего «цвет». Ее не будет, если свет берется только из малой части спектра (такой свет будет монохромным, или одноцветным), но телескоп или микроскоп, как правило, имеет дело с обычным, не монохромным светом.

Ньютон догадывался, что хроматическая аберрация является абсолютно неизбежной погрешностью линз и ни один телескоп, действие которого основано на изображениях, создаваемых преломлением света в линзе (т. е. телескоп-рефрактор), не будет от этого избавлен. Он задумался об исправлении ситуации путем прикладывания к линзе зеркала. Как уже указывалось в этой книге, реальное изображение формируется вогнутым зеркалом, отражающим свет, так же как и выпуклой линзой, его пропускающей. Более того, в то время как разные цвета света преломляются сквозь линзы по-разному, отражаются от зеркала они строго одинаково. Следовательно, зеркала не создают хроматической аберрации.