Kvant. Цвет

А так ли хорошо знаком вам цвет? // Квант. — 2010. — № 5. — С. 32-33

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

...зеленый и голубой усиливают свой цвет в полутени,
а красный и желтый выигрывают в цвете в
своих освещенных частях, и то же самое делает
белый.
Леонардо да Винчи
Свет состоит из лучей всех цветов не только по
выходе из призмы, но даже тогда, когда он еще не
дошел до призмы, до всякого преломления.
Исаак Ньютон
Утверждения Ньютона — чудовищное предположение.
Да и как то может быть, чтобы самый прозрачный,
самый чистый цвет — белый — оказался
смесью цветных лучей?
Иоганн Вольфганг Гёте
Любой цвет от смачивания водой делается гуще.
Почему? Надо подумать.
Михаил Ломоносов
Сам факт зависимости показателя преломления от
частоты называется дисперсией <от лат. dispersion —
рассеяние>, так как именно из-за нее свет раскладывается
призмой в спектр.
Ричард Фейнман

Повседневно мы используем понятие цвета, не особенно задумываясь над его точным определением. Но стоит лишь попытаться установить его меру, как мы столкнемся, скорее всего, с теми же трудностями, что испытывали наши предшественники. Долгое время ученые обходили эту проблему, а как только они за нее брались, так на них обрушивался град критики.

Порывшись в справочниках, мы найдем, например, такие высказывания: «цвет — свойство тел вызывать определенное зрительное ощущение в соответствии со спектральным составом и интенсивностью отражаемого или испускаемого ими видимого излучения»; «длина волны света в вакууме... задает количественную меру того, что субъективно воспринимается как цвет монохроматического луча». Стало легче?

Тем не менее, несмотря на впечатление неконкретности и даже некоего произвола, можно утверждать, что категория цвета прочно вошла и в науку, и в практику. Многоцветье спектров — мощный инструмент анализа при контроле за плавкой металлов и в изучении структуры и состава звезд, незаменимый помощник инженеров-строителей, дизайнеров и колористов. А оптическая аналогия послужила основанием для выбора названия одной из характеристик мельчайших частиц материи — кварков и глюонов, также снабдив их «цветом».

Таким образом, наблюдая за радугой или зарей, полярными сияниями или мыльными пузырями, вспоминайте не только о поэтических образах, но и о существовании «разноцветной» физики.

Вопросы и задачи

1. Как ответить на вопрос М.В.Ломоносова, поставленный в эпиграф?
2. Почему цвета некоторых материалов при дневном и электрическом освещении различны?
3. Если луч белого света направить на треугольную призму, стоящую на столе, не под углом к горизонту, а горизонтально, то часть цветных полосок, наблюдаемых на экране за призмой в первом случае, может исчезнуть. Каких и по какой причине?
4. При повышении температуры вещества происходит как расширение диапазона непрерывного спектра, так и смещение его максимума. В какую именно сторону: красного или фиолетового цвета?
5. Линза дает изображение прямоугольника, верхняя половина которого выкрашена в красный цвет, а нижняя — в синий. Прямоугольник расположен перпендикулярно главной оптической оси линзы. Почему не удается найти такое положение экрана, чтобы на нем одновременно было резкое изображение обеих половин прямоугольника?
6. Если смотреть на разноцветную светящуюся рекламу, например из газоразрядных трубок, то красные буквы всегда кажутся выступающими вперед по отношению к синим или зеленым. Чем это можно объяснить?
7. Почему призматический спектр чаще применяют для изучения состава коротковолнового излучения, а в случае длинноволнового излучения целесообразнее пользоваться дифракционным спектром?
8. Цветное стекло растерто в порошок, который кажется совершенно белым. Как узнать, каков истинный цвет стекла?
9. Получаемый на земле непрерывный спектр излучения Солнца содержит более двух десятков темных линий, т.е. фактически представляет собой спектр поглощения. Чем это объяснить?
10. Что происходит с солнечным спектром во время наблюдения полного солнечного затмения?
11. Какая бумага — синяя, красная, черная — скорее зажигается солнечными лучами, собранными при помощи вогнутого зеркала или линзы?
12. Если смешать синюю и желтую краски, то получится зеленая краска. Но если светом синей и желтой ламп осветить лист чертежной бумаги, то она будет иметь белый цвет (синий и желтый цвета являются дополнительными). Нет ли здесь противоречия?
13. При наблюдении растений в свете синей лампы (вариант: через синие очки) зеленые листья кажутся малиново-красными. Как это объяснить?
14. На пакете с фотопленкой написано: «Обрабатывать при красном свете». Получится ли на этой пленке пиратский флаг, изображенный на рисунке слева? А справа?

    

15. При слабом освещении синий цвет иногда может казаться ярче красного, однако при хорошем освещении различие в их яркости часто бывает обратным. Почему относительная яркость красного и синего цветов зависит от уровня освещенности?
16. Отчего сигналы опасности подаются красным светом, хотя глаз наиболее чувствителен к желто-зеленому свету?
17. Почему виднеющийся на горизонте лес или дальние горы кажутся подернутыми голубоватой дымкой?

Микроопыт

Наполните неглубокий сосуд водой, вставьте в него плоское зеркало, как показано на рисунке, и пустите на поверхность воды луч солнечного света. На экране Э (стене или потолке) возникнет яркая картинка. Что она собой представляет и как она образовалась?

Любопытно, что...

...кусок красного стекла кажется красным и в отраженном и в проходящем свете. А вот у цветных металлов эти цвета различаются — так, золото отражает преимущественно красные и желтые лучи, но тонкая просвечивающая золотая пластинка пропускает зеленый свет.

...ученые XVII века не считали цвет объективным свойством света. Например, Кеплер полагал, что цвет — это качество, которое должны изучать философы, а не физики. И лишь Декарт, хотя и не мог объяснить происхождение цветов, был убежден в существовании связи между ними и объективными характеристиками света.

...созданная Гюйгенсом волновая теория света была большим шагом вперед — так, она дала используемые до сих пор объяснения законов геометрической оптики. Однако главная ее неудача заключалась в отсутствии категории цвета, т.е. она была теорией бесцветного света, несмотря на уже сделанное к тому времени Ньютоном открытие — обнаружение дисперсии света.

...призма — главный инструмент в ньютоновских опытах — была им куплена в аптеке: в те времена наблюдение призматических спектров было распространенным развлечением.

...многие предшественники Ньютона считали, что цвета зарождаются в самих призмах. Так, постоянный оппонент Ньютона Роберт Гук думал, что в солнечном луче не могут содержаться все цвета; это так же странно, считал он, как утверждать, что «в воздухе органных мехов содержатся все тоны».

...опыты Ньютона привели его и к печальному выводу: в сложных приборах с большим количеством линз и призм разложение белого света сопровождается появлением у изображения пестрой цветной каймы. Явление, названное «хроматической аберрацией», удалось впоследствии преодолеть, соединяя несколько слоев стекла с «уравновешивающими» друг друга показателями преломления, что привело к созданию ахроматических линз и подзорных труб с четкими изображениями без цветных бликов и полос.

...идея о том, что цвет определяется частотой колебаний в световой волне, впервые была высказана знаменитым математиком, механиком и физиком Леонардом Эйлером в 1752 году, при этом максимальная длина волны соответствует красным лучам, а минимальная — фиолетовым.

...первоначально Ньютон различал в солнечном спектре только пять цветов, но позже, стремясь к соответствию между числом цветов и числом основных тонов музыкальной гаммы, добавил еще два. Возможно, здесь сказалось пристрастие к древней магии числа «семь», согласно которой на небе было семь планет, а потому в неделе — семь дней, в алхимии — семь основных металлов и так далее„

...Гёте, считавший себя выдающимся естествоиспытателем и посредственным поэтом, горячо критикуя Ньютона, замечал, что выявленные в его опытах свойства света не истинны, поскольку свет в них «замучен разного рода орудиями пыток — щелями, призмами, линзами». Правда, в этой критике вполне серьезные физики позже узрели наивное предвосхищение современной точки зрения на роль измерительной аппаратуры.

...теория цветового зрения — о получении всех цветов при помощи смешения трех основных — ведет начало от речи Ломоносова 1756 года «Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее...», не замеченной, однако, научным миром. Полвека спустя эту теорию поддержал Юнг, а уж его предположения в 1860-х годах детально развил в трехкомпонентную теорию цвета Гельмгольц.

...если какие-либо пигменты отсутствуют в фоторецепторах сетчатки, то человек не ощущает соответствующих тонов, т.е. становится частично цветослепым. Таким был английский физик Дальтон, по имени которого и назван этот недостаток зрения. А обнаружил его у Дальтона не кто иной, как Юнг.

...явление, упомянутое в первом эпиграфе и в условии задачи 15, носит название эффекта Пуркине — в честь исследовавшего его знаменитого чешского биолога, также показавшего, что различные среды глаза обладают неодинаковым преломлением, и объяснившего возникновение некоторых зрительных иллюзий.

...оптические спектры атомов или ионов — не только богатый источник информации о строении атома, в них заключены сведения и о характеристиках атомного ядра, прежде всего связанных с его электрическим зарядом.

Что читать в «Кванте» о цвете

(публикации последних лет)

1. «Калейдоскоп «Кванта» - 2005, №5, с.32; 2008, №5, с.32;
2. «Загадка «тени от прозрачной пластинки» — 2006, №1, с.30;
3. «Как увидеть невидимку» — 2006, №4, с.9;
4. «Сюрпризы зеленого стекла» — 2007, №5, с.10;
5. «Самая светлая революция и ее творцы» — 2008, №6, с.2;
6. «Опыты с компакт-диском» — 2009, №4, с.44;
7. «Красное небо, синяя луна» — 2010, №1, с.39.

Материал подготовил А.Леонович

Ответы

Вопросы и задачи

1. Если поверхность сухая, то к лучам, соответствующим окраске поверхности, добавляется рассеянный свет от ее неровностей, поэтому цвет оказывается менее ярким. Когда поверхность пропитана водой, ее неровности затягиваются поверхностной пленкой воды и рассеянное излучение исчезает, поэтому основной тон окраски воспринимается как более насыщенный.
2. Цвет материала определяется отраженными лучами, а их состав зависит от состава излучения, падающего на материал.
3. При повороте белого луча фиолетовая и ближайшие к ней полоски могут исчезнуть с экрана из-за того, что углы падения соответствующих цветных лучей на внутреннюю поверхность призмы увеличатся настолько, что будет происходить их полное внутреннее отражение.
4. Нагреваемое тело начинает испускать лучи, соответствующие большей частоте, и максимум спектра смещается в сторону фиолетового цвета.
5. Изображение синей половины прямоугольника получается ближе к линзе, чем изображение красной, поскольку фокусное расстояние линзы больше для красных лучей, чем для синих.
6. В глазу, как и в любой линзе, красные лучи преломляются слабее, поэтому возникает зрительное впечатление, что красные предметы находятся ближе, чем синие или зеленые.
7. Призматический спектр растянут в коротковолновой части, а в дифракционном спектре одинаковым интервалам длин волн отвечают участки спектра одинаковой длины.
8. Надо погрузить порошок в жидкость с таким же показателем преломления, как и у стекла. Тогда порошок перестанет рассеивать свет равномерно во все стороны и будет вести себя как целое стекло.
9. Часть лучей, испускаемых поверхностью Солнца, поглощается окружающей его газовой оболочкой и земной атмосферой.
10. Во время затмения все лучи от фотосферы Солнца задерживаются Луной, а Земли достигают лучи только от атмосферы Солнца, поэтому линии поглощения становятся линиями испускания.
11. Черная, так как она поглощает все падающие на нее лучи.
12. Нет. Синяя краска поглощает все цвета, но отражает синий, голубой и зеленый, а желтая краска поглощает все цвета, но отражает зеленый, желтый и оранжевый. Поэтому обе краски в смеси отражают только зеленый цвет. При освещении же бумаги синим и желтым цветами оба они отражаются и вызывают ощущение белого цвета.
13. Синие стекла пропускают не только синие лучи, но частично и красные. Вместе с тем, листья растений отражают не только зеленый, но отчасти и красный свет.
14. Фотопленка реагирует на красный свет так же, как на темноту, т.е. «не отличает» красного от черного. Поэтому красный череп на белом флаге получится черным (на позитиве), а череп на черном флаге на снимке виден не будет.
15. Когда свет в комнате, вначале яркий, постепенно ослабевает, механизм зрения переключается с «колбочкового», одинаково чувствительного к разным цветам, на «палочковый», наиболее чувствительный к зеленому свету, менее - к синему и еще менее - к красному.
16. Красный свет виден с наибольшего расстояния, так как меньше всего рассеивается в атмосфере.
17. Между далекими объектами и наблюдателем находится толстый слой воздуха, который из-за рассеяния солнечного света воспринимается глазом голубым.

Микроопыт

Слой воды над зеркалом образует призму, которая разлагает свет в радужный спектр.