Fizika

A látás ajándékát a színek létezése teszi gazdagabbá. A tárgyak és fények ezernyi árnyalatban bővelkednek, amelyek stimulálják szemünket, agyunkat és érzelmeinket. Két alapvető kérdéssel foglalkozunk ebben a rövid feldolgozásban – mit jelent a szín tudományos értelemben, és hogyan érzékeljük mi, emberek, a színt?

A színlátás egyszerű elmélete

Megállapítottuk már, hogy a szín a látható elektromágneses sugárzás hullámhosszához kapcsolódik. Amikor a szemünk tiszta hullámhosszú fényt kap, hajlamosak vagyunk csak néhány színt látni. Ezek közül hat (a leggyakrabban felsorolt) a vörös, a narancs, a sárga, a zöld, a kék és az ibolya. Ezek a szivárvány színei, amelyek akkor keletkeznek, amikor a fehér fényt különböző hullámhosszok szerint szórjuk szét. Több ezer más színárnyalatot is érzékelhetünk. Ezek közé tartozik a barna, a teal, az arany, a rózsaszín és a fehér. A színlátás egyik egyszerű elmélete szerint mindezek az árnyalatok a szemünk válasza a hullámhosszok különböző kombinációira. Ez bizonyos mértékig igaz, de úgy találjuk, hogy a színérzékelés még finomabb, mint a szemünk válasza a fény különböző hullámhosszaira.

A retinában található fényérzékelő sejtek (fotoreceptorok) két fő típusa a pálcikák és a csapok

A kúpok leginkább a foveában, a retina központi régiójában koncentrálódnak. Itt nincsenek pálcikák. A fovea a makula közepén található, egy 5 mm átmérőjű régió, amely a központi látásunkért felelős. A kúpok fényes fényben működnek a legjobban, és a nagy felbontású látásért felelősek. Az emberi retinán körülbelül 6 millió kúp található. A kúpoknak három típusa van, és mindegyik típus különböző hullámhossz-tartományokra érzékeny, amint azt az 1. ábra szemlélteti.

A színlátás egyszerűsített elmélete szerint a három kúptípusnak három alapszín felel meg. A több ezer egyéb színárnyalatot, amelyek között különbséget tudunk tenni, a háromféle kúp stimulációjának különböző kombinációi hozzák létre. A színes televízió háromszínes rendszert használ, amelyben a képernyőt egyenlő számú piros, zöld és kék foszforpont borítja. Az árnyalatok széles skáláját, amelyet a néző lát, e három szín különböző kombinációi hozzák létre. A sárga színt például akkor érzékeli, ha a piros és a zöld szín megfelelő intenzitásarányban van megvilágítva. A fehéret akkor érzékelheti, ha mindhárom színt megvilágítják. Akkor úgy tűnik, hogy minden árnyalat előállítható a három alapszín különböző arányú hozzáadásával. Van azonban arra utaló jel, hogy a színlátás ennél kifinomultabb. A három alapszínnek nincs egyedi készlete. Egy másik működő készlet a sárga, a zöld és a kék. A színlátás összetettebb elméletének szükségességére utal az is, hogy különböző különböző kombinációkkal ugyanazt az árnyalatot lehet előállítani. A sárga szín érzékelhető sárga fénnyel, vagy a vörös és a zöld kombinációjával, valamint olyan fehér fénnyel is, amelyből az ibolyát eltávolították. A színlátás három elsődleges színre vonatkozó aspektusa jól megalapozott; a kifinomultabb elméletek inkább kibővítik, mintsem tagadják.

Gondoljuk meg, hogy a különböző tárgyak miért mutatnak színt – például miért kék a toll és miért piros a bíbor rózsaszín? Egy tárgy valódi színét az abszorpciós vagy reflexiós tulajdonságai határozzák meg. A 2. ábra három különböző tárgyra – egy tiszta kékre, egy tiszta vörösre és egy feketére – eső fehér fényt, valamint egy fehér tárgyra eső tiszta vörös fényt mutat. Más színárnyalatokat bonyolultabb abszorpciós jellemzők hoznak létre. A rózsaszín, például egy galah kakadunál, a vörös kivételével minden szín gyenge elnyeléséből adódhat. Egy tárgy nem fehér megvilágítás esetén más színűnek tűnhet. Például egy tiszta kék tárgy, amelyet tiszta vörös fénnyel világítanak meg, feketének fog tűnni, mert elnyeli az összes ráeső vörös fényt. A tárgy valódi színe azonban kék, ami független a megvilágítástól.

Hasonlóan a fényforrásoknak is vannak színei, amelyeket az általuk kibocsátott hullámhosszok határoznak meg. A hélium-neon lézer tiszta vörös fényt bocsát ki. Valójában a “tiszta vörös fény” kifejezést az határozza meg, hogy élesen behatárolt spektrummal rendelkezik, ami a lézerfény jellemzője. A Nap széles sárgás spektrumot, a fluoreszkáló fények kékesfehér fényt, az izzólámpák pedig vörösesfehér árnyalatokat bocsátanak ki, amint az a 3. ábrán látható. Ahogy az várható volt, ezeket a színeket akkor érzékeljük, ha közvetlenül a fényforrásra nézünk, vagy ha egy fehér tárgyat világítunk meg velük. Mindez jól illeszkedik abba az egyszerűsített elméletbe, hogy a hullámhosszok kombinációja különböző árnyalatokat eredményez.

Színállandóság és a színlátás módosított elmélete

A szem-agy színérzékelő rendszer a látóterében lévő különböző tárgyak összehasonlításával képes érzékelni egy tárgy valódi színét változó fényviszonyok mellett – ezt a képességet nevezzük színállandóságnak. Képesek vagyunk érzékelni, hogy például egy fehér terítő fehér, akár napfény, akár fluoreszkáló fény, akár gyertyafény világítja meg. A szembe jutó hullámhosszok minden esetben meglehetősen eltérőek, amint azt a 3. ábrán látható grafikonok is mutatják, de a színlátásunk képes érzékelni a valódi színt, ha összehasonlítjuk az asztalterítőt a környezetével.

A színállandóságot figyelembe vevő elméletek nagyszámú anatómiai bizonyítékon, valamint perceptuális vizsgálatokon alapulnak. A retinán lévő fényreceptorok között idegkapcsolatok vannak, és sokkal kevesebb idegkapcsolat van az agy felé, mint ahány pálcika és kúp van. Ez azt jelenti, hogy a szemen belül jelfeldolgozás történik, mielőtt az információ az agyba kerülne. A szem például összehasonlításokat végez a szomszédos fényreceptorok között, és nagyon érzékeny a szélekre, amint az a 4. ábrán látható. Ahelyett, hogy egyszerűen a szembe érkező fényre reagálna, amely az ábrán látható különböző téglalapokban egyenletes, a szem a szélekre reagál, és érzékeli a hamis sötétségváltozásokat.

Az egyik elméletet, amely különböző tényezőket vesz figyelembe, Edwin Land (1909-1991), a Polaroid Corporation kreatív alapítója terjesztette elő. Land – részben számos elegáns kísérlete alapján – azt javasolta, hogy a háromféle kúp retinexnek nevezett rendszerbe szerveződik. Minden retinex képet alkot, amelyet összehasonlít a többivel, és a szem-agy rendszer így képes összehasonlítani egy gyertyával megvilágított fehér asztalterítőt az általában vöröses környezetével, és megállapítani, hogy az valóban fehér. A színlátás e retinex-elmélete példa a színlátás módosított elméleteire, amelyek megpróbálnak számot adni a színlátás finomságairól. Egy Land által végzett figyelemre méltó kísérlet bizonyítja, hogy valamilyen kép-összehasonlítással létrejöhet a színlátás. Két képet készítenek egy jelenetről fekete-fehér filmre, az egyiket vörös szűrővel, a másikat kék szűrővel. Az így kapott fekete-fehér diákat ezután kivetítik és egymásra helyezik egy képernyőre, ami a várakozásoknak megfelelően fekete-fehér képet eredményez. Ezután a vörös szűrővel készült dia elé egy vörös szűrőt helyeznek, és a képeket ismét egymásra helyezik a képernyőn. A rózsaszín különböző árnyalataiban pompázó képet várnánk, ehelyett azonban a kép az embereknek teljes színben jelenik meg, az eredeti jelenet összes árnyalatával. Ez azt jelenti, hogy a fekete-fehér és a vörös képek összehasonlításával színlátás idézhető elő. A színlátást nem értik vagy magyarázzák meg teljesen, és a retinex elmélet sem teljesen elfogadott. Nyilvánvaló, hogy a színlátás sokkal finomabb, mint amit első ránézésre feltételezhetnénk.

Szakasz összefoglalása

• A szemnek négyféle fényreceptora van – pálcikák és háromféle színérzékeny csap.
• A pálcikák az éjszakai látásért, a perifériás látásért és a mozgásváltozásért, míg a csapok a központi látásért és a színekért felelősek.
• A hullámhosszúságok keverékével rendelkező fényből sokféle árnyalatot érzékelünk.
• A színlátás egyszerűsített elmélete szerint három alapszín létezik, amelyek megfelelnek a háromféle csapnak, és az alapszínek különböző kombinációi hozzák létre az összes árnyalatot.
• Egy tárgy valódi színe a különböző hullámhosszúságú fény relatív elnyelésével függ össze. Egy fényforrás színe az általa kibocsátott hullámhosszakkal függ össze.
• A színállandóság a szem-agy rendszer azon képessége, hogy a különböző fényforrásokkal megvilágított tárgyak valódi színét meg tudja különböztetni.
• A színlátás retinex-elmélete a színállandóságot azzal magyarázza, hogy három retinex vagy képrendszer létezését tételezi fel, amelyek a háromféle kúphoz kapcsolódnak, amelyeket összehasonlítanak, hogy kifinomult információt kapjanak.

Glosszárium

hues: egy szín azonossága, ahogyan az konkrétan a spektrumhoz kapcsolódik

rudak és csapok: kétféle fotoreceptor az emberi retinában; a pálcikák felelősek az alacsony fényszintű látásért, míg a kúpok magasabb fényszintnél aktívak

egyszerűsített színlátáselmélet: elmélet, amely szerint három alapszín létezik, amelyek megfelelnek a háromféle kúpnak

színállandóság: a vizuális észlelőrendszer egy része, amely lehetővé teszi, hogy az emberek különböző körülmények között érzékeljék a színeket, és a színekben bizonyos állandóságot lássanak

retinex: a szín- és fényességérzékelés és állandóságok magyarázatára javasolt elmélet; a retina és az agykéreg szavak kombinációja, amelyek a vizuális információ feldolgozásáért felelős két terület

retinex színlátáselmélet: a színérzékelés képessége a környezeti színű környezetben

.