3a. Излучение. Волны. Кванты - Ричард Фейнман

Возникает вопрос, всегда ли при составлении смеси любого цвета входят три основных цвета с положительными коэффи­циентами? Нет, не всегда. Для каждой тройки основных цве­тов имеются цвета, для которых в смеси появляется отрица­тельный коэффициент, и поэтому однозначного способа выбора основной тройки не существует. В популярных книжках крас­ный, зеленый и синий обычно называют основными цветами, но это объясняется только тем, что с их помощью можно соз­дать более широкий набор цветов при положительных значениях коэффициентов в комбинации основных.

§ 4. Диаграмма цветности

Рассмотрим теперь смешивание цветов с математической точки зрения как некое геометрическое построение. Цвет, опи­сываемый уравнением (35.4), можно представить вектором в трехмерном пространстве, где по трем осям отложены величины a, b и с, т. е. данному цвету соответствует точка в пространстве. Точка, соответствующая другому цвету, у которого компоненты равны а', b' и с', расположена в другом месте.

Фиг. 35.4. Стандартная диаграмма цветности.

Как мы уже знаем, сумма двух цветов есть новый цвет, который получается век­торным суммированием первых двух. Диаграмму можно упрос­тить и изобразить все на плоскости, если воспользоваться следующим наблюдением: возьмем свет определенной окраски и просто удвоим коэффициенты а, b и с, т. е. все компоненты уве­личим, а соотношение между ними оставим неизменным; тогда получится свет той же самой окраски, но более яркий. Поэ­тому можно привести любой свет к одной и той же интенсив­ности и затем спроектировать все построение в трехмерном пространстве на плоскость, как это сделано на фиг. 35.4.

Отсюда следует, что любой цвет, полученный смешением двух заданных цветов, изображается точкой, лежащей на ли­нии, которая соединяет оба выбранных цвета. Например, смесь, составленная из равных частей обоих цветов, лежит на середине соединяющего их отрезка; смесь из 1/4 одного цвета и 3/4 другого лежит на расстоянии 1/4 длины отрезка и т. д.

Если в качестве основных цветов выбрать красный, зеленый и синий, то все цвета, получаемые из них с положительными ко­эффициентами, лежат внутри треугольника, изображенного на рисунке пунктиром. По существу, треугольник содержит почти все цвета, которые мы видим, поскольку вообще все цвета, доступные нашему зрению, заключены внутри кривой доволь­но странной формы, немного выступающей за треугольник. Откуда взялась эта кривая? Кто-то когда-то весьма тщательно составил смеси всех видимых цветов из трех выбранных. Но мы не будем проверять все цвета; достаточно исследовать лишь чистые спектральные тона, линии спектра.

Фиг. 35.5. Цветовые коэффици­енты чистых спектральных тонов для некоторого выбора основных цветов. 1 — красный; 2 — зеленый; 3 — синий.

Любой цвет можно рассматривать как сумму чистых спектральных тонов с различ­ными, но положительными коэффициентами (чистых с физи­ческой точки зрения). Любой цвет состоит из некоторых ко­личеств красного, желтого, синего и т. д. по всем цветам спект­ра. Зная, как составлены спектральные тона из трех основных цветов, можно вычислить необходимую пропорцию основных цветов и для какого угодно цвета. Поэтому, определив цве­товые коэффициенты всех спектральных тонов по отношению к трем основным цветам, легко составить полную таблицу сме­шения цветов.

В качестве примера на фиг. 35.5 приведены опытные данные по смешению трех цветов. Кривые показывают количество каждого из трех основных цветов (красного, зеленого, синего), образующих при смешении любой из цветов спектра. Красный цвет расположен на левом конце спектра, следом идет желтый цвет и т. д. до синего цвета, расположенного на правом краю. Заметьте, что в некоторых случаях необходимо брать отрица­тельные коэффициенты. Именно из таких данных и были опре­делены положения точек для всех цветов на диаграмме, причем координаты х и у связаны с относительными количествами основных цветов, использованных для получения различ­ных цветов. Отсюда же была найдена и граничная кривая диаграммы. Она представляет собой геометрическое место всех чистых спектральных тонов. Но каждый цвет может быть по­лучен смешением спектральных тонов, поэтому любой цвет на линии, соединяющей две произвольные точки кривой, сущест­вует в природе. На диаграмме прямая соединяет крайний фио­летовый и далекий красный концы спектра. На ней располо­жены пурпурные цвета. Внутри кривой находятся те цвета, которые могут быть получены с помощью света, а цвета вне кривой вообще не могут быть созданы светом, и никто их ни­когда не видел (разве только во сне!).

§ 5. Механизм цветового зрения

Первый вопрос, который возникает по поводу изложенных закономерностей: почему цвета ведут себя таким образом?

Простейшая теория, предложенная Юнгом и Гельмгольцем, предполагала, что глаз обладает тремя сортами пигментов, вос­приимчивых к свету, и что спектры поглощения этих пигментов разные, скажем, один сильно поглощает красный свет, дру­гой — синий, а третий — зеленый. Поэтому когда свет попа­дает в глаз, поглощение в каждой из трех областей происхо­дит по-разному, а, исследуя разную поступающую информацию, наш мозг, или глаз, или еще что-то решает, какой цвет попал в глаз. Легко показать, что из предположения о трех сортах пигментов вытекают все правила смешения цветов.

Дальше, казалось бы, оставалось определить кривые по­глощения всех трех пигментов, но по этому поводу возникли серьезные разногласия. К несчастью, оказалось, что можно найти только всевозможные линейные комбинации кривых поглощения, а не сами кривые для каждого пигмента в отдель­ности, потому что координаты на диаграмме могут быть повер­нуты любым образом. Пробовали использовать самые разные пути для получения кривых, характеризующих отдельные физические свойства глаза. Одна из таких кривых, называемая кривой яркости, представлена на фиг. 35.3.

На рисунке показаны две кривые: одна для глаза, адаптиро­ванного к темноте, а другая для зрения на свету (последняя характеризует зрение с помощью колбочек). Кривая указывает наименьшую яркость света данной окраски, которую еще спо­собен воспринять глаз, т. е. характеризует чувствительность глаза в разных областях спектра.

Существует другой, очень интересный способ измерения этой же величины. Возьмем два цвета и будем попеременно показы­вать их на экране. Тогда, если частота их появления достаточ­но мала, мы увидим на экране мелькание. С увеличением час­тоты мелькание в конце концов исчезнет. Это произойдет при некоторой частоте, зависящей от яркости света и равной, ска­жем, 16 повторениям в секунду. Теперь можно так подобрать яркости, или интенсивности, двух цветов относительно друг друга, чтобы мелькание цвета при 16 циклах исчезало. При уста­новленной яркости мелькание цветов возникает, только если перейти к меньшей частоте. Следовательно, при большой час­тоте мы получаем так называемое мелькание яркости, а при меньших частотах — мелькание цвета. Таким способом удает­ся подобрать два цвета с «одинаковой яркостью». Получающие­ся отсюда результаты почти, но не совсем аналогичны данным по пороговой чувствительности глаза к слабым потокам света, наблюдаемым с помощью колбочек. Большинство специалистов

Фиг. 35.6. Смешение цве­тов у дейтеранопов.

при определении кривой яркости пользуются данными опыта с мельканием цвета.

Итак, если глаз содержит три рода цветочувствительного пигмента, то задача заключается в определении формы спектра поглощения для каждого из них. Как это сделать? Известно, что встречаются люди, не различающие цветов; среди мужчин их насчитывается 8%, а среди женщин — 0,5%. Большинство людей, имеющих какие-либо отклонения в цветовом зрении или вообще им не обладающих, чувствительны к изменению цвета в разной степени, но для всех них характерно восприятие трех основных цветов. Есть, однако, и такие люди (их называют дихроматами), для которых любой цвет составлен из двух основных цветов. Естественно предположить, что у них отсут­ствует один из трех пигментов. Если бы существовало три типа дихроматов, для которых правила смешения были бы различ­ны, то у одних должна была бы отсутствовать красная пигмен­тация, у других — зеленая, а у третьих — синяя. По измере­нию восприятия цвета у этих трех типов людей можно определить три искомые кривые поглощения! И действительно, об­наружено три типа дихроматов: два из них встречаются довольно часто, а третий — крайне редко; измерения дали возможность установить спектры поглощения пигмента.