Искусство цвета. Цветоведение: теория цветового пространства

Хроматические (цветные) тела отличаются от белых только тем, что прозрачные кристаллики или волокна проявляют избирательное поглощение; непоглощенные же лучи отражаются и обусловливают цвет. Абсолютно непрозрачных веществ не существует; зато часты вещества с малым коэффициентом прозрачности. Непрозрачность большинства тел объясняется тем, что они состоят из оптическиразличных частиц довольно значительных размеров (немногим меньше 0,001 мм), которые дают сильное отражение и являются препятствием для прохождения света. У металлов мы наблюдаем особенности, обусловливающие их блеск; но и металлы при достаточном размельчении становятся прозрачными.

Таким образом, большинство цветов внешнего мира зависит от поглощательной способности твердых тел. Поэтому при спектральном анализе цветов тел мы видим, что их отраженный свет, который и является причиной их окраски, состоит из широкой полосы близких друг к другу световых волн. Рядом с ними находятся темные полосы или области поглощения. У ярких цветных тел эти области занимают приблизительно половину спектра. Очень часто мы встречаем область поглощения в середине спектра, как раз в зеленом цвете. Тогда отражаются световые волны обоих концов спектра, с одной стороны красные, а с другой – фиолетовые и синие. Эту смесь цветов мы воспринимаем целостно, как однородный цвет (как это бывает и при всех других смесях), и она дает нам ряд не встречающихся в спектре розовокрасных, синекрасных и пурпурных цветов. В дальнейшем мы будем иметь возможность их изучить. Красящие вещества естественного и искусственного происхождения с поглощением в зеленой части спектра встречаются весьма часто.

Диффракция

До сих пор рассмотренные нами свойства света выявляются в таких измерениях, которые велики по сравнению с длиной отдельной световой волны, и эта последняя не оказывала поэтому на них влияния. Но имеется еще и другая группа важных свойств, которые обусловливаются непосредственно длиною световых волн. Самое важное из них – диффракция света. Если мы пропустим солнечный свет через узкую щель в темную комнату, и в образовавшуюся узкую полосу света поместим волос или другой темный предмет, то получится не простая тень. Эта тень будет состоять из узкой средней линии, по обеим сторонам которой расположатся параллельные светлые и темные полоски, при более тщательном исследовании оказывающиеся хроматическими (цветными). В этом случае свет проходит не просто по прямой линии: его лучи, как будто «загибаясь», попадают в геометрическую область тени, отчего этот процесс и получил название «загибания» (Beugung), или диффракция света.

Если волос заменим узкой щелью, которую поставим параллельно первой щели, то увидим светлую среднюю линию. По обеим сторонам от этой линии симметрично расположатся темные и светлые полоски, которые становятся окрашенными и все более слабыми по мере удаления от средней линии.

Причина этого явления лежит в волнообразной природе света. Если две волны так проявляют себя, что понижение и понижение, или подъем и подъем совпадают, то они усиливают друг друга. Если же понижение одной совпадает с подъемом другой и наоборот, то эти волны уничтожают друг друга. Это явление называется интерференцией света.

Рис. 3

Рис. 3 дает представление о том, как образуются вышеупомянутые полоски. Согласно теории волн, щель, заполненная светом, действует как само светящееся тело. Представим себе, что из света, падающего на щель SS, взяты точки, e и d, тогда пути света по do и по ес будут иметь одинаковую длину; в точке О попадут одно на другое, подъем волны на подъем, понижение на понижение, и количества света сложатся.

В стороне от О, например, в С, находится точка, для которой пути dс и ес отличаются друг от друга наполовину длины волны. Там совпадут понижение одной и подъем другой, подъем одной и понижение другой, и волны, в результате этого уничтожат друг друга. Поэтому там получится темнота.

Еще дальше за С находится место, где разница между длинами путей составит полную длину волны. Там опять наступает сложение волн, т. е. яркий свет.

Таким образом, темные и светлые полоски чередуются друг с другом, но они ослабляются, так как количества света, падающие в стороны, все уменьшаются. Совершенно то же мы наблюдаем и по другую сторону от точки О.

Эти рассуждения будут верными только в том случае, если речь идет о свете одной определенной длины волны. Если же мы имеем дело с дневным светом или, как то обычно и бывает, с какими-нибудь другими неоднородными лучами, то от каждой длины волны должна получиться своя особая картина. Эти изображения не совпадут, так как чем длиннее волна, тем дальше отстоит точка С от средней точки О. Различным волнам соответствуют разные цвета; вместо чередования просто светлого и темного у нас получатся разноцветные полоски.

Диффракционный (решетчатый) спектр

Если вместо простой щели применить целый ряд тесно соприкасающихся друг с другом щелей, «решетку», то явление соответственно этому расширяется. При этом получается разложение света, подобное тому, какое дает и призма, и при помощи решетки можно так же приготовлять спектроскопы, как и при помощи призм. Все-таки решетчатые спектры во многом отличаются от призматических. Во-первых, в решетчатых спектрах меньше всего отклоняются короткие волны, а длинные больше всего, в призмах же дело обстоит наоборот. Во-вторых, у решетчатого спектра цвета расположены пропорционально увеличивающейся длине волн так, что они в этом отношении построены строго закономерно. Призматические спектры, наоборот, показывают некоторое отклонение в том смысле, что одинаковым различиям волн соответствуют тем большие участки в спектре, чем волны короче. Другими словами, призматические спектры сильно растянуты в сторону синего и фиолетового, в сторону же красного они сильно сжаты по сравнению с решетчатым спектром и расположением, пропорциональным длине волн.

В-третьих, призматические спектры гораздо более светосильны, чем решетчатые спектры, потому что в призме рассеивается весь вступающий в нее свет, в то время как в диффракционной решетке отклоняется только часть света, и эта часть дает не один спектр, а много спектров, смежных друг с другом.

В зависимости от того, насколько важны вышеописанные преимущества и недостатки того и другого вида спектров, и следует выбирать для аппаратуры призмы или диффракционные решетки. Последние имеют то преимущество, что, при условии наличия достаточного света, дают возможность достичь большей степени светорассеивания, благодаря чему с помощью диффракционного (решетчатого) спектра можно провести анализ гораздо дальше идущий, чем с помощью призмы. Призмы же имеют преимущество, если иметь в виду силу света.

Глава III

Процесс зрения

Общее. Как все наши ощущения, так и наше зрение основывается на целом ряде явлений, которые должны последовать друг за другом для того, чтобы получился какой-нибудь эффект. Прежде всего необходимо раздражение. Под этим названием мы подразумеваем энергию, в данном случае свет, которая во внешнем органе чувства вызывает определенные явления. Эти явления оказывают действие на разветвление особо приспособленного нервного аппарата, в котором действующая энергия вызывает процесс, по существу и теперь еще непонятный, а именно – так называемый нервный ток, который с умеренной скоростью через нерв доходит до мозга. Там возникают новые и очень сложные нервные токи, которые в конечном счете ведут к возникновению у нас ощущения, т. е. особого процесса, обычно связанного с сознанием. Идет ли на это сложные нервные процессы первоначальная энергия раздражения, или же она действует лишь разряжающим образом и дальнейшие процессы определяются имеющимися уже в организме биологическими, т. е. химическими энергиями, – в настоящее время остается еще не окончательно решенным. Второе предположение, однако, гораздо более вероятно.

Чувствительность и косность

Возникнув из первичной эктодермы различные органы чувств до такой степени развились, что для приведения их в действие достаточно необычайно малых количеств энергии. Другими словами, их абсолютная чувствительность очень велика. Эта чувствительность дает им еще одно ценное свойство, которое мы можем обозначить как их очень малую косность. Каждое функционирование, сопровождаясь затратой энергии, переводит орган в новое состояние, в коем на новые раздражения он реагирует уже иначе, чем после первоначального покоя. Всегда однородная зависимость между раздражением и ощущением есть, однако, крайне необходимое условие полезности органа, так как лишь при этом условии наши ощущения могут служить однозначными указателями вещей внешнего мира. Возврат в состояние покоя может произойти тем скорее, чем меньшее количество энергии и вещества участвовало в действии органа. Таким образом, большая чувствительность, благодаря которой орган реагирует на малые раздражения, в то же время обусловливает и малую косность, которая дает ему возможность быстро вернуться в нормальное состояние.

Применительно к глазу, оба эти свойства хорошо известны. Первое обусловливает порог, благодаря которому раздражения или изменения раздражений должны перешагнуть определенные малые, но конечные величины, чтобы быть воспринятыми.

Второе обусловливает так называемое световое последействие, сказывающееся в последовательных образах и т. п. Этим объясняется знакомое всем явление слития в сплошную световую ленту изображений движущегося раскаленного угля, также как и возникновение слагательных (аддитивных) смесей на вращающемся диске для смешения цветов.

Закон Вебера – Фехнера

Факты чувствительности и косности хорошо нам знакомы и использованы всевозможными научными и техническими приборами. При устройстве всякого измерительного или определительного аппарата мы стремимся к тому, чтоб он обладал высокой чувствительностью и минимальной косностью (инерцией), так как только при этих условиях он наилучшим образом будет соответствовать своему назначению.

Абсолютная чувствительность имеет при этом меньшее значение, чем относительная, т. е. рассчитанная на данную предельную величину измерения. В настоящее время изготовляют такие микровесы, которые дают возможность взвешивать 0,000001 грамма; но они не переносят нагрузки более одного грамма. Изготовляют также весы с нагрузкой до одного килограмма с точностью до 0,001 грамма. Первые весы имеют в тысячу раз большую абсолютную чувствительность, чем вторые, зато относительная чувствительность у обоих весов одинаковая и равняется одной миллионной. С точки зрения механики, те и другие весы равноценны. Они отличаются друг от друга только областью измерения. То же наблюдается и в наших воспринимающих аппаратах. Они приноровлены к своей «нагрузке», которую получают при нормальных условиях и обладают соответствующей чувствительностью. В тех случаях, когда «нагрузка» очень резко меняется, где технику понадобились бы, следовательно, все новые и новые весы, в организме человека имеются дополнительные приспособления, при помощи которых чувствительность и приноравливается к соответствующей нагрузке.

Наилучшим образом приспособлен в этом отношении глаз. Солнечный свет значительно изменяется и в течение дня, и по временам года, а для первобытного человека способность видеть и ночью, при свете луны и звезд, очень часто являлась прямой жизненной необходимостью. Сообразно с этим, глаз и имеет целый ряд приспособлений для того, чтобы сделать свою чувствительность достаточной при любом свете, отсюда вытекла и общая закономерность, которой подчиняются его ощущения.

Таких приспособляющих механизмов имеется два. Как всем известно, устройство глаза подобно камере фотографического аппарата. Он содержит линзу, которая дает возможность изображению из внешнего мира попасть на чувствительную к свету сетчатую оболочку глаза. Как фотограф, сообразуясь с окружающим светом, расширяет или суживает диафрагму у объектива своего аппарата, так самопроизвольная диафрагма глаза – так называемая радужная оболочка глаза, Iris – становится шире или уже в зависимости от ослабления, или усиления света.

Кроме этого механико-оптического приспособления, существует еще и химико-физическое, с еще более широкими пределами действия. Каждый знает, что войдя в полутемную комнату после яркого солнечного освещения, он в первый момент ничего не увидит. И наоборот, при переходе из темноты в ярко освещенное пространство мы чувствуем себя вначале ослепленными и плохо видим. Но вскоре глаз в обоих случаях приспособляется, и мы начинаем хорошо видеть.

Это основано на том, что глаз, отдохнувший в темноте, раздражается скорее и меньшим количеством света, чем тот глаз, который находился в ярко освещенной среде. Легко себе представить химическую картину происходящего, если мы допустим, что благодаря воздействию света на сетчатую оболочку глаза возникает такой химический процесс, продукты которого только медленно устраняются посредством диффузии и кровообращения. Если благодаря сильному свету образуется большое количество продуктов химического распада, которые не могут быть так быстро унесены кровообращением, то, следуя законам химической динамики, дальнейший процесс претерпевает торможение. Отсюда следует, что одинаковое количество света вызывает уже меньшее химическое разложение или, другими словами, будет действовать как более слабое раздражение. Наоборот, при слабом свете происходит меньшее химическое разложение веществ и продукты разложения могут полностью уноситься, почему и достаточно здесь бывает уже небольшого количества света, чтобы вызвать нужную реакцию. Так же влияет и уменьшение концентрации исходных не разложившихся еще веществ под влиянием сильного света или увеличения при слабом действии света, при одинаково быстром их восстановлении путей обмена веществ.

Эти явления называются адаптацией.

В идеальном, предельном случае чувствительность устанавливается пропорциональной тому, насколько орган затронут и отражает некоторую постоянную долю раздражения, которое действует на соответствующий орган. К этому состоянию приближаются не только различные органы чувств человека и других живых существ, но и другие, области психической жизни человека базируются на этом же основном законе, гласящем, что данное наличное состояние есть мера замечаемости его изменений: чувствительность пропорциональна функционированию. Этот закон, основной для всей нашей душевной жизни, был впервые высказан Э. Г. Вебером в 1851 г. и потом разработан Г. Т. Фехнером в 1858 г. Для науки о цветах он является основоположным во многих отношениях. Наука о цветах представляет собой также и тот первый случай, где этот закон нашел свое практическое применение (при установлении норм).

Формулировки закона Фехнера. Во втором томе своей книги: «Элементы психофизики» Фехнер вырабатывает различные формулы для выражения своего закона. Самая общая форма, это диференциальное уравнение, выражающее зависимость между изменением раздражения dr и изменением чувствительности de. Прирост раздражения должен увеличиваться или уменьшаться в зависимости от силы уже существующего раздражения для того, чтобы ощущение получило соответствующий прирост; это выразится в следующей формуле:

Это уравнение представляет собой, между прочим, уже изложенные нами соотношения адаптации. При сильном общем освещении, например, при солнечном свете, r нашего уравнения велико. Для того чтобы получить определенное значение для de, т. е. чтобы достичь ощущения едва заметного увеличения светлоты, оказывается необходимым соответственно увеличить и величину dr, т. е. прирост количества света. Наоборот, в полутемной комнате r очень мало; поэтому уже малого количества света достаточно, чтобы вызвать заметное усиление ощущения. Величина k зависит только от природы раздражения и от индивидуальных особенностей воспринимающего субъекта; вообще же она остается постоянной.

Интегрируя эту формулу, получим, если ro и еo суть соответствующие значения; раздражения и ощущения:

ln r – ln ro = kn (е – еo) или log r/ro = к (е – еo).

Здесь ln означает натуральный логарифм. Можно вместо него брать обыкновенный логарифм, благодаря чему изменится только числовая величина: фактор kn переходит в k, абсолютную величину которого мы без того определить не можем.

Из последней формулы

следует, что для одинаковых ступеней ощущения (е – еo) раздражение меняется не в одинаковой степени r – ro, а в одинаковом отношении

.

Ряд чисел с одинаковыми разностями называется арифметическим рядом, ряд же чисел с одинаковыми множителями называется геометрическим рядом. Для того, чтобы ощущения изменялись на одинаковые ступени или в арифметической прогрессии, раздражения должны изменяться, сохраняя одно и то же отношение, т. е. изменяться в геометрической прогрессии. Ряд ощущений выраженный, числами 1, 2, 3, 4…, требует поэтому ряда раздражений: rа1, rа2, rа3, rа4…, где а есть множитель (фактор) ряда или знаменатель отношений двух смежных величин данного ряда, а r – число постоянное.

В такой форме закон Фехнера удобнее всего применим в науке о цветах. Для того чтобы в ряде серых цветов, начиная с белого и кончая черным, получить ступени, одинаково отличающиеся для нашего восприятия друг от друга, мы должны раздражения, т. е. прибавления белого, расположить таким образом, чтобы они шли в геометрической прогрессии. Например, если самая темная краска содержит 4 % белого цвета, то мы должны взять серый ряд, выражающийся числами: 4, 6, 9, 13.5, 20.3, 30.4, 45.6, 68.4 в процентах белого цвета. Каждый последующий член такого ряда должен содержать белого цвета в 1½ раза больше, чем предыдущий. В силу этого все члены его и будут производить впечатление одинаковоотстоящих друг от друга; так как множитель а можно выбирать произвольно, то можно получить бесконечное количество таких рядов.

Порог ощущения

Если мы постепенно уменьшаем раздражение, то ощущение тоже ослабевает, однако, не в той же мере; а при некоторой определенной предельной величине раздражения ощущение прекращается. Эту границу мы называем порогом раздражения. Отсюда вытекает особенно простое выражение вышеприведенной формулы. Назовем через ro то минимальное раздражение, при котором ощущение прекращается, тогда соответствующая величина еo равняется нулю. Уравнение получает следующий вид:

т. е. ощущение пропорционально логарифму раздражения.

Отсюда ясно, какое значение имеет порог при измерении ощущений. Целесообразно поэтому основательно выяснить это понятие.

С явлениями порога мы встречаемся уже в неорганическом мире. Всякие весы, точные или неточные, обладают таким порогом, т. е. имеется некоторый предельный малый вес, ниже которого данные весы уже совсем не отвечают. У неточных весов этот порог велик, у точных же – очень мал, но всегда он выражается некоторой конечной величиной. То же самое относится ко всем другим измерительным приборам; каждый обладает своим поротом чувствительности.

Причина этого вполне понятна: необходимо определенное количество работы, чтобы преодолеть инерцию и трение в данном приборе. Поскольку данное «раздражение» не в силах произвести такую работу, не получается и действия; прибор остается в состоянии покоя.

Не будет ошибочным, если мы станем в том же искать причину и психо-физического порога. Вызывание ощущения возможно также лишь в результате некоторой работы или, вообще говоря, расхода энергии. Поэтому для приведения в действие какого бы то ни было органа необходима затрата энергии. Для каждого органа минимум необходимой затраты энергии определяется его устройством, которое также определяет и порог; меньшая энергия не вызывает эффекта, т. е. не вызывает ощущения. Уже было указано, что живые существа в процессе их развития постоянно стремятся понизить порог чувствительности своих органов. У человека величина порога ощущения бывает различной в зависимости от рода занятий и одаренности. Музыкант с тонким слухом различает по высоте такие тона, которые кажутся профану совершенно одинаковыми. Ошибки неопытного человека при сравнении силы света выражаются в сотых долях, в то время как опытный наблюдатель понижает свой порог порою до 2–3 тысячных. Однако и величина его порога есть некоторая конечная величина.

Общее значение порога

Для нашей душевной жизни факт существования порога чувствительности имеет громадное значение. Если бы он отсутствовал, мы никогда не находились бы в состоянии покоя, так как хотя бы и совсем слабые раздражения для всех областей чувств всегда имеются в природе. Бывают состояния чрезвычайной раздражительности, когда некоторые пороги почти отсутствуют, так как обусловливающие их задержки исчезают. Всем известно, что это есть уже тяжелое заболевание, потому что орган не пользуется в достаточной мере покоем, необходимым для здорового состояния. Выздоравливание только тогда становится возможным, когда можно психологически или физиологически вызвать временную замену выпавших естественных задержек.

Порог дает нам также возможность воспринимать два предмета, как равные. Оставаясь идеально точными, мы должны признать, что в мире вообще не существует двух совершенно одинаковых вещей. Фактически только существование порога чувствительности дает нам возможность уравнивать предметы. Благодаря развитию науки, которая стремится уменьшить этот порог, отождествление вещей постепенно ограничивается, однако не уничтожается вовсе. И мучительные логические противоречия, которые возникают благодаря предпосылке о существовании бесконечно малых и бесконечно больших величин, – противоречия, которые болезненно ощущались уже греками, только в том случае могут быть основательно превзойденными, если мы на основании общего факта существования порога заранее отрицаем реальность подобных понятий и представлений о бесконечном. Новейшие успехи физики, требующие, чтобы даже самую энергию мы мыслили построенной из некоторых конечных элементарных величин, так называемых квантов, стоят на таком именно пути.

Закон упрощения

Для всех ощущений наших органов чувств существует еще совсем общий закон следующего содержания: многообразие ощущений может быть лишь меньшим, по сравнению с многообразием раздражений и только в крайнем случае быть ему равным. Выше мы видели, что нашему восприятию доступно только различение чисел колебаний (как различных цветовых тонов), но недоступно различение плоскостей этих колебаний, так как недоступно восприятие разницы между поляризованным и деполяризованным светом. В отношении восприятия всего многообразия чисел световых колебаний наш глаз также отстает, так как он воспринимает как равные, многие смеси, совершенно различные по своему составу.

При всем этом развитие наших органов идет в том направлении, что расхождение между многообразиями раздражений и ощущений постепенно все уменьшается.

Глаз

Исследовав строение человеческого глаза в его историческом развитии, мы получим подтверждение вышеизложенного. По первоначальному своему устройству глаз представлял собой темное пятно на поверхности кожи. Благодаря своей более темной окраске он воспринимал большее количество лучистой энергии, чем окружающая его среда, и вследствие этого он больше раздражался (нагревался), чем окружающие части тела. С ходом дальнейшего развития глаза разница между ним и его окружающим все возрастает, порог же раздражения уменьшается. Пятно становится более темным и глубже входит во внутрь. Ощущение температуры уничтожается благодаря более тонко реагирующим химическим процессам. Образуются органы (трубки или линзы), посредством которых глаз начинает воспринимать не только раздражения, но и расстояние и направление. В этом заключается все возрастающее приспособление глаза, к многообразию раздражений.

Приобретение способности воспринимать цвета есть необычайно важный шаг вперед в ходе развития глаза. Эта способность даже у человека является чем-то сравнительно новым. Существует много животных, которые хотя и имеют глаза с линзами, однако не обладают (или еще не обладают) ни способностью распознавать цвета, ни соответствующими тому органами. Среди людей также встречаются единичные лица (лица, страдающие полной цветовой слепотой), в глазах коих отсутствует этот новый орган.