Цветовое зрение как средство познания цветовых свойств вещей. Гипотеза Ломоносова о трехкомпонентности цветового зрения. Часть 2.

Описание

↑ Синтетическая способность зрительного анализатора. Законы оптического смешения цветов

Приведенные примеры показывают, что при смотрении на солнце, голубое небо или на листву можжевельника, глину и пр., освещенных светом солнца или неба, в глаз попадают излучения почти всех видимых волн. Каждое из этих излучений в отдельности бывает видно как имеющее вполне определенный цветовой тон, о чем уже говорилось выше; излучение с длиной волны в 660 mµ — красное, с длиной волны в 480 mµ — голубое и т. д. Глядя же на любой из приведенных выше цветных предметов, мы не видим каждую точку этих предметов многоцветной — одновременно и красной, и голубой, и желтой и т. д., соответственно всем монохроматическим лучам, посылаемым в глаз каждой точкой этих предметов. Да это и невозможно, поскольку невозможно одновременно в одной и той же точке пространства видеть несколько цветов. Между тем, очевидно, что биологическая целесообразность требовала того, чтобы человек видел и различал цветовые свойства окружающих его предметов.

Эту задачу природа разрешила, сделав наш орган зрения способным видеть один, результирующий, цвет, определяемый всей совокупностью попадающих в глаз излучений, различных по своим длинам волн. Эта замечательная способность находит выражение в законах оптического смешения цветов. Эти законы определяют собою то, какой результирующий цвет мы видим при одновременном попадании в глаз лучей различных длин волн. Оказывается, что для всякого цвета имеется такой другой цвет, от смешения с которым может получиться цвет ахроматический — серый или белый. Такие два цвета называются цветами дополнительными (первый закон оптического смешения цветов). Если обратиться к расположению всех цветов по цветовому кругу, построенному еще Ньютоном, то пары дополнительных цветов лежат приблизительно в диаметрально противоположных точках. Дополнительными: цветами будут, например, красный и голубовато-зеленый, оранжевый и голубой, желтый и синий, зеленовато-желтый и фиолетовый, зеленый и пурпурный. При одновременном действии на сетчатку этих цветов (взятых в определенной интенсивности) мы видим серый или белый цвет.

Для определенного «белого», называемого цветом полуденного солнца (и соответствующего цветовой температуре около (6500° К), Международный осветительный комитет (International Congress on Illumination, 1931) предложил пользоваться следующим уравнением, показывающим, какие монохроматические лучи спектра являются дополнительными:

(?1-565,52) (497,78 —?2) = 223,02.

Здесь ?1 — длина волны в миллимикронах, соответствующая одному цвету, ?2 — длина волны, соответствующая цвету
дополнительному, причем ?1 больше ?2. На рис. 7





приведены отвечающие этому уравнению кривые, показывающие, лучи каких длин волн будут дополнительными.

Два дополнительных цвета, попадающие одновременно в глаз, дают ахроматический цвет от смешения лишь при определенном соотношении их интенсивностей. Для лучей зеленой области спектра нет монохроматических дополнительных лучей, как видно из рис. 7. Дополнительными к зеленому являются цвета пурпурные, сами возникающие лишь в результате смешения красных и фиолетовых лучей спектра.

Если в глазе смешиваются цвета не дополнительные, но лежащие по цветовому кругу ближе друг к другу, чем дополнительные, то возникает ощущение нового хроматического цвета, цветовой тон которого лежит между смешиваемыми цветами (второй закон оптического смешения цветов). Так, например, смесь красного с желтым дает оранжевый цвет, смесь синего с зеленым — голубой и т. д.

Одинаково выглядящие цвета дают и одинаково выглядящие смеси, независимо от различий в физическом составе смешиваемых цветовых раздражителей (третий закон оптического смешения цветов). Поэтому при смешении цветов можно одинаково выглядящие цвета считать одинаково влияющими на результирующий цвет смеси.

Эти три закона оптического смешения цветов были выведены Грассманом, в полном согласии с ньютоновской схемой цветового круга, а экспериментально проверены в ряде работ Максвеллом, Гельмгольцем и др.?

Принципиально важно то, что результаты смешения цветов оказываются такими же, если одним цветом воздействовать на один глаз, а другим на другой. Как показала Лившиц (1941), законы подобного бинокулярного смешения цветов не отличаются от законов монокулярного смешения. Следует поэтому полагать, что в явлениях оптического смешения цветов решающую роль играют процессы центральные (мозговые), а не периферические (сетчаточные).
[banner_centerrs] {banner_centerrs} [/banner_centerrs]

Поскольку наш глаз подчиняется законам оптического смешения цветов, мы и видим каждую точку предмета в каком-нибудь одном цвете, несмотря на множество лучей различной длины волны, посылаемых ею в наши глаза. Цвет солнца—белый, неба —голубой, свечи — оранжевый, листвы — зеленый, песка — желтый, ультрамарина — синий и т. д. При смешении в глазе всех световых волн, содержащихся в обычном солнечном спектре, мы получаем впечатление белого цвета. Чтобы ощутить оттенок какого-нибудь хроматического цвета (красного, голубого и т. п.), нужно, чтобы на сетчатку воздействовали или не все имеющиеся в солнечном спектре световые волны, а лишь некоторые из них, или же — если и все,— то не в таком соотношении их энергий, какое имеется в солнечном свете. Когда солнечный луч, проходя через стеклянную призму, разлагается на составляющие его лучи волн разной длины и дает на экране полосу спектра, то от каждого освещенного места экрана отражаются световые волны лишь одной определенной длины. Поэтому-то мы и видим разноцветную полосу. Прозрачные тела кажутся цветными лишь в том случае, если волны различной длины проходят сквозь них не в одинаковой мере, но одни поглощаются больше, чем другие. Физическим условием того, чтобы какое-нибудь непрозрачное тело служило цветовым раздражителем нашего глаза, является не одинаковое («избирательное») поглощение этим телом волн разной длины. Вследствие такого избирательного поглощения не все лучи, составляющие белый свет, одинаково отражаются данным телом и, следовательно, не все лучи, входящие в белый свет, в одинаковой мере попадают в глаз. Кривая коэффициентов отражения данного тела и характеризует то, какие лучи и в какой мере им отражаются. Выше приводились примеры подобных кривых некоторых цветных предметов.

Орган зрения, глаз, в ходе биологического приспособления к наилучшему восприятию окружающего мира был вынужден приобрести способность различать цветовые свойства предметов, характеризуемые их спектрами отражения.

↑ Простейшее решение вопроса о физиологической возможности адeкватного отражения цветовых свойств предметов. Гипотеза Ломоносова

На первый взгляд может показаться, что в органе зрения должно бы было выработаться столько же цветоощущающих аппаратов, сколько существует различных спектров отражения. Но спектров отражения — бесчисленное множество, поскольку небольшое уменьшение или увеличение отражения лучей той или иной длины волны создает уже иную» новую форму кривой спектра отражения. Мало вероятно поэтому, чтобы глаз улавливал цветность предмета цветоощущающими аппаратами, особыми для каждой формы кривой спектров отражения.

Как мудро писал Ломоносов (изд. 1940,): «Натура тем паче всего удивительна, что в простоте своей много хитростна, и от малого числа причин произносит неисчислимые образы свойств, перемен и явлений». «Натура» «требует и всегда к своим действиям самых простых и коротких путей ищет...».

Описанные выше законы оптического смешения цветов и подсказывают вероятный ответ относительно тех «простых и коротких путей», которые использовала природа, для того чтобы наш глаз мог видеть множество различных цветов без особого цветовоспринимающего аппарата в нем для каждого цвета.

Из того, что два любых цвета, лежащие по цветовому кругу Ньютона друг к другу ближе, чем цвета дополнительные, дают при смешении все промежуточные цветовые тоны, становится очевидным, что все цветовые тоны можно получить путем оптического смешения всего трех цветов. Для этого нужно, чтобы треугольник, составленный прямыми, показывающими результаты смешения каждой пары этих трех цветов, заключал внутри себя центр цветового круга, т. е. точку белого. Это значит, что три цвета, из смешения которых хотят получить все прочие цветовые тоны, должны быть взяты так, чтобы цвет дополнительный к одному из них лежал между двумя остальными.

Простое графическое построение показывает, что можно вписать в цветовой круг множество треугольников, удовлетворяющих этому требованию. Важно, однако, выбрать из них такой, который давал бы возможно более насыщенные цвета. Для этого нужно поместить по углам искомого треугольника такие три цвета, которые отстояли бы друг от друга не слишком далеко. Но сближение цветов одной пары влечет расхождение цветов другой пары и обратно. Поэтому наилучшее решение поставленной задачи получится, очевидно, в том случае, когда мы впишем в цветовой круг треугольник с «основными» цветами равносторонний. Получение всех цветов путем смешения трех, взятых в качестве основных, является самым экономным и простым способом воспроизведения всех возможных цветов. Двух цветов для этого было бы недостаточно, как можно видеть из тех же законов оптического смешения цветов. Четыре же цвета и больше в качестве основных оказываются уже излишними.

Можно поэтому допустить, что цветовое зрение устроено так, что при воздействии на глаз того или иного спектра отражения в органе зрения получаются различные соотношения в возбуждении всего лишь трех родов специализированных цветоощущающих аппаратов, соответствующих трем «основным» цветам в указанном выше смысле. По изложенным уже выше законам оптического смешения цветов, цвет, соответствующий любому спектру отражения, может быть воспроизведен тем или иным соотношением всего трех смешиваемых цветов. Можно поэтому думать, что наш зрительный анализатор, подвергаясь воздействию того или иного спектра отражения от находящегося перед глазом предмета, дает ощущение присущего данному предмету цвета благодаря определенному соотношению трех основных цветовых возбуждений (получается ощущение, которое отвечает данному спектру).

В этом-то и состоит основная идея теории трехкомпонентности цветового зрения, наиболее обоснованной в настоящее время и много дающей для понимания всей совокупности фактов цветового зрения.

Первые высказывания идей трехкомпонентности цветового зрения мы находим у нашего великого ученого Ломоносова (1757) в его «Слове о происхождении света, новую теорию о цветах представляющем, июля 1 дня 1756 г. говоренном».

Причиной света, по Ломоносову, является «зыблющееся» (колебательное) движение частиц эфира, движущихся, кроме того, и «коловратным» (вращательным) движением. Эфир состоит, как думал Ломоносов, из частиц троякого рода, отличающихся друг от друга своим размером. Три рода частиц эфира могут совмещаться и приводить в «коловратное» движение три рода частиц материи. При этом «первой величины ефир совмещается с соляною, второй величины со ртутною, третьей величины с серною... материею» (изд. 1940 г.,).

Из этих же материй состоит и «дно ока». Посредством «дна ока» мы видим цвета, благодаря тому, что «эфирные частицы сцепляются с совместными себе частицами первоначальных материй, тела составляющих» (там же). Итак, мы видим» что, по Ломоносову, разная степень возбуждения трех различных цветоощущающих «материй дна ока» лежит в основе видения нами всех цветов окружающего мира.

«Наконец, нахожу,— формулирует Ломоносов основную идею своей теории цветов,— что от первого рода ефира происходит цвет красной, от второго желтой, от третьего голубой. Протчие цветы рождаются от смешения первых» (там же). Красный, желтый и голубой, таким образом, являются основными цветами, по Ломоносову.

Если на поверхности того или иного тела расположены частицы каждой первоначальной материи, «тогда всех родов ефирные частицы к ним прикасаются, чрез совмещение теряют коловратное движение, и для того лучи солнечные без оного не производят никаких цветов в глазе, не имея силы побуждать в коловратное движение на дне составляющие его части. Итак, тела показываются тогда чорными» (там же). Черный цвет объясняется, таким образом, как следствие поглощения телом всех освещающих его лучей. Белый цвет — также в полном согласии с физическими представлениями наших дней — истолковывается Ломоносовым как результат отражения телом всех световых лучей и соответствующего возбуждения всех трех цветоощущающих аппаратов глаза. Если поверхность тела покрыта такими частицами, с которыми «все роды ефирной материи должны иметь... слабое совмещение», то «коловратное» движение эфирных частиц «едва какое препятствие претерпевает. Следовательно, с трясущимся движением на дно ока действует, производит всех цветов в зрении чувство, и такого рода смешанные тела имеют цвет белой».

Хроматические же цвета тела имеют при избирательном поглощении ими того или иного из основных цветов. Так, пишет Ломоносов, если поверхность покрыта частицами «кислой» материи (соляной), «тогда первого рода ефирная материя для совмещения с оными, лишась коловратного движения, не будет в глазе производить чувствия красного цвета, и только желтой и голубой ефир, обращаясь, свободно действовать станет в оптических нервах на ртутную и горючую (серную.— С. К.) материю, произведут чувствие желтого и голубого цвета в одно время: отчего таковые тела должны быть зелены. Равным образом на поверхности одна материя ртутная вишневой, одна горючая рудожелтой цвет в телах производит» (изд. 1940 г.,). Подобным образом природа «рудожелтой из красного и желтого, зеленой из желтого и голубого, вишневой из красного и голубого, другие роды смешанных цветов из других разных смешений сложить может».

В своих представлениях о смешении цветов, например о получении зеленого из смешения желтого и голубого, Ломоносов не делал еще необходимого различия между результатами оптического (слагательного) сложения лучей и технического (вычитательного) смешения красок. Поэтому в качестве основных цветов им и признаются цвета красный, желтый и голубой. Подобное, естественное для того времени, упущение не умаляет, конечно, гениальности основной идеи новой гипотезы цветового зрения, предложенной Ломоносовым.

В 1802 г., т. е. почти на полстолетие позже Ломоносова, Томас Юнг выступил с подобной же гипотезой о трехкомпонентности нашего цветового зрения. Развитая затем, уже в половине XIX в., Гельмгольцем теория эта в науке называется часто теорией Юнга — Гельмгольца, между тем работа Ломоносова была опубликована много раньше работы Юнга. Несомненно, поэтому, что приоритет в создании основных идей трехкомпонентной теории принадлежит именно Ломоносову, с именем которого ее и надлежит связывать.

«Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее...», было произнесено М. В. Ломоносовым в публичном заседании Петербургской Академии Наук 1 июля 1756 г. Отпечатано «Слово» в академической типографии в 1757 г. Тогда же был опубликован и латинский перевод «Слова», сделанный Григорием Козицким — «Oratio de origine lucis sistens novam. theoriam colorum». Подробные рефераты «Слова» Ломоносова в зарубежной научной литературе были даны в ближайшие же два года. В «Neue Zeitung von Gelehrten Sac hen auf das Jahr 1758» (Leipzig, 1758, № 98 от 7 декабря, стр. 873—877) мы находим довольно полное изложение мыслей Ломоносова, выдержанное в сочувственных тонах. Подробный реферат «Слова», данный в «Goettingische Zeitimgen von Gelehrten Sac hen auf das Jahr 1759» (Goettingen, 1759, № 51 от 28 апреля, стр. 451— 454), напротив, заканчивается иронически вопросом: «Не соберется ли Ломоносов изложить свои мысли о происхождении цветов догматически русскими стихами?» Английский журнал «Monthly Review» (London, v. 21, 1759, стр. 254) считает «Слово» в целом «достаточно остроумным, но чисто гипотетическим» и высокомерно отказывается «утруждать своих читателей» более подробным сообщением о делаемых Ломоносовым выводах.

Юнгом гипотеза о трехкомпонен'тности физиологического аппарата цветового зрения была опубликована в 1802 г. в «Лекции о теории света и цветов» (Lecture on the theory of light and colours. «Phil. Trans. Rov. Soc » v. 21, 1802).

Таким образом, можно видеть, что «Слово» Ломоносова в свое время вполне было доступно и для зарубежных ученых. Однако ни Юнг, ни Гельмгольц о нем не упоминают.

↑ Современная формулировка теории трехкомпонентности цветового зрения

При современном понимании трехкомпонентной теории мы должны допустить существование в нашем зрительном анализаторе трех видов нервных аппаратов. Изолированное возбуждение одного из них давало бы ощущение насыщенного красного, возбуждение другого — насыщенного зеленого и возбуждение третьего — насыщенного синего. Обычно, однако, раздражающий свет действует не на один только из этих трех воспринимающих цвет аппаратов, а на все три или на два из них. При этом волны различной длины возбуждают эти аппараты в различной степени. Все цветовые особенности видимых предметов вызывают различные соотношения величин этих трех возбуждений в нашем зрительном аппарате. Приведенная на рис. 8





схема иллюстрирует идею трехкомпонентной теории цветового зрения: на абсциссе отложены различные длины волн лучей спектра, на ординате— возбуждение красно-, зелено- и синеощущающих аппаратов глаза (аппараты эти помечены буквами К, 3, и С). Итак, один из цветоощущающих аппаратов воспринимает преимущественно длинноволновые лучи спектра (красный конец спектра), другой — преимущественно коротковолновые лучи (синий конец), третий же более всего возбуждается «средними» лучами спектра (зеленый участок спектра).

Таким образом, наш глаз как бы анализирует воздействующие на него спектры предметов, раздельно оценивая участие в них коротковолновых, средневолновых и длинноволновых лучей. Кора головного мозга синтезирует эти относительные величины красного, зеленого и синего возбуждений, в результате чего мы и видим единый «результирующий» цвет предмета, отражающий его цветовые свойства; здесь действуют описанные выше законы оптического смешения цветов. Анализ и синтез, осуществляемый нашим зрительным анализатором, не следует, конечно, понимать как процессы, протекающие во времени раздельно, последовательно один за другим. Они происходят в одно время. Благодаря такому замечательному, устройству нашего зрительного анализатора мы, посредством небольшого числа специальных цветоощущающих приборов (всего трех), можем достаточно хорошо отображать громадное число цветовых оттенков, присущих окружающим нас предметам.

↑ Об эволюции цветового зрения

Несомненно, что подобные свойства цветового зрения возникли у живых существ не сразу, а путем постепенного приспосабливания органа к все лучшему и лучшему познаванию окружающей среды, в которой живым существам приходилось развиваться. К сожалению, однако, сказать много с достаточной уверенностью об эволюции цветового зрения у животных и человека мы пока еще не можем.

На основании многих экспериментальных исследований (Ovio, 1927; Walls, 1942; Rochon-Duvigneaud, 1943) можно считать, что среди позвоночных наличие цветового зрения встречается у костистых рыб, некоторых амфибий (лягушек) и пресмыкающихся (черепах, ящериц), у большинства птиц; среди млекопитающих собаки обладают, повидимому, весьма плохим цветовым зрением. Имеют ли его домашние кошки, остается окончательно еще не решенным, хотя и существуют электро-физиологические данные, говорящие в пользу того, что у кошек цветоощущающие аппараты имеются. Цветовое зрение у копытных не доказано. Распространенное мнение о том, что быки приходят в ярость от красного цвета ошибочно. Раздражает в действительности не самый цвет, а движение объекта перед глазами. Описаны опыты, в которых племенные быки целого стада одевались красными попонами, и это не вызывало чего-либо особенного в их поведении. Кролики цветового зрения не имеют, лишены его и мыши. У белок оно есть, но различают они цвета весьма не совершенно. В общем цветового зрения нет у животных, ведущих ночной образ жизни, однако оно не всегда в полной мере развито и у дневных животных.

Человекообразные обезьяны обладают цветовым зрением подобно человеку. Это установлено относительно шимпанзе, павиана, мартышек. У низших приматов (полуобезьян, лемуроидов) цветового зрения нет; большинство из них животные ночные. Однако цветового зрения не обнаруживают и те из лемуроидов, которые бывают активными преимущественно днем. "У одного из видов таких лемуров (Lemur mongoz), согласно специальным исследованиям, можно предполагать лишь грубые зачатки цветоразличения, которое имеет место, возможно даже и не у всех индивидуумов данного вида. У хвостатых обезьян-капуцинов (Cebus) Грезер (Grether, 1939) обнаружил наличие цветового зрения, но не нормального, а наблюдающегося у людей при цветовой слепоте типа так называемой протанопии. В этом случае во всем спектре бывают видимы всего два цветовых тона (желтый и синий) с нейтральным (серым) участком в области голубого; спектр виден укороченным с красного конца, поскольку крайние красные лучи вовсе не ощущаются.

Можно предполагать, что, эволюционируя, цветовое зрение человека проходило через стадию «двухцветового» видения. На этой стадии все цвета окружающих предметов оценивались лишь по большему или меньшему наличию в их спектре отражения длинноволновых или коротковолновых лучей. Для восприятия тех и других имелись два вида цветоощущающих приборов. Возбуждение первого из этих приборов вызывало ощущение желтого, возбуждение второго — синего. Все многообразие видимых цветов сводилось, таким образом, к желтым и синим цветам. Поскольку подобного рода отражение цветовых свойств окружающих предметов было слишком грубо, постепенно зрительный аппарат нашего цветового зрения утончился. Это усовершенствование его, как можно предполагать, состояло в том, что глаз стал более чувствительным к крайним красным лучам спектра и «желтоощущающий» аппарат (первоначально — один, служивший для восприятия всей длинноволновой половины спектра) расщепился на два особых цветоощущающих аппарата — «красноощущающий» и «зеленоощущающий». Красноощущающий аппарат стал возбуждаться главным образом лучами красного конца спектра, зеленоощущающии — лучами середины спектра. Подобная эволюция и могла привести к тому трехцветовому видению, посредством замечательных законов которого нормальный человеческий глаз сейчас может видеть уже не два, а более 180 различных цветовых тонов. Очерченная выше схема эволюции цветового зрения человека высказывалась в литературе некоторыми учеными (Шенк, Лэдд Фрэнклин), однако вполне доказанной ее считать нельзя.

Делались попытки установить картину развития цветового зрения у человека на основании филологических данных, на основании наличия или отсутствия в языке специальных обозначений для тех или иных цветов. Гладстон в исследованиях, посвященных Гомеру (см. Parsons, 1924), отмечает бедность гомеровского лексикона для обозначения цветов, особенно зеленых и синих. На этом основании он склонен делать вывод о соответствующих дефектах и в цветовом зрении древних. Но такого рода заключения о цветоразличении на основании данных языка сплошь и рядом могут быть ошибочными. Появление особых обозначений для различных цветов определяется прежде всего практической важностью подлежащих различению предметов, а не только способностью различить их оттенки зрением. Так, на нубийцах, приезжавших в Европу в 1877 г., было установлено, что особых терминов для обозначения синего цвета, в отличие от цвета черного и вообще темного, они не имели, в то время как мотки шерсти и бумажки соответствующих цветов различали достаточно хорошо. Известно также, что японцы, хорошо отличающие синий цвет от зеленого, употребляют для названия этих цветов одно и то же слово.

Ввиду всего этого есть больше оснований строить предположения о вероятном ходе эволюции цветового зрения у человека, исходя из особенностей цветового зрения у обезьян и таких же особенностей у человека при частичной цветовой слепоте. Последние случаи с этой точки зрения следует рассматривать как проявление атавизма.


---

Статья из книги: Цветовое зрение | Кравков С. В.