Mobili versija | Apie | Visos naujienos | RSS | Kontaktai | Paslaugos
 
Jūs esate čia: Pradžia » Visos temos » Mokslas » Fizika

Kas yra spalva?

2012-06-24 (28) Rekomenduoja   (12) Perskaitymai (11059)
    Share

Jau pirmieji žingsniai žmogui išvydus šį pasaulį yra susiję su šviesa. Tačiau kartu tai vienas iš labiausiai nesuprantamų reiškinių pirmaisiais gyvenimo metais. Taip jau susiklostė, kad visas pasaulis prieš akis matomas aukštyn kojomis, nes mūsų akies lęšiukas formuoja vaizdą į šviesai jautrų akies vidinį sluoksnį apverstą (01 pav.). Ir tik po kelių mėnesių kūdikis, liesdamas įvairius aplink jį esančius daiktus, savo smegenimis galu gale pastato aplinkinį pasaulį ant kojų, nes taip yra daug patogiau orientuotis ir bendrauti su aplinka.

01 pav. Geometrinio vaizdo formavimas akyje: lęšiukas krentančius į akį spindulius laužia taip, kad akies dugne susidaro atvirkščias vaizdas. Taip ir matytume pasaulį, jeigu mūsų gudrieji smegenys neatstatytų vaizdo atgal.

Dar daug kitokių pokštų mums iškrečia šviesa. Vieni žiūrėdami į tą patį vaizdą mato vazą, kiti - du žmonių kontūrus (02 pav.).

O kaip su spalva? Turime įvairių spalvų žaismą, kurias sudėję į krūvą gauname baltą spalvą. Kai kurie žmonės gali nesunkiai atskirti šimtus atspalvių, kiti, deja, neturi šios dievo dovanos. Netgi grynai fiziko akimis pažiūrėję į spektrą (tai yra ne kas kitas, kaip spalvų išdėstymas pagal bangų ilgius, žr. 4 pav. dešinėje), mes negalime griežtai atskirti vienos spalvos nuo kitos.

02 pav. Ką pirmiausia pamatote šiame paveikslėlyje: žmogaus veido profilius, ar vazą? (paveikslėlio autorius – David Phillips)

Kintant bangos ilgiui, viena spalva nepastebimai pereina į kitą ir, kad ir kaip mes bebūtume akyli, nerasime tikslios ribos tarp vienos ir kitos spalvos. Jos tiesiog nepastebimai pereina iš vienos į kitą. Tad kyla klausimas: ar tikrai pasaulis aplink mus kupinas spalvų – gal tai tik mūsų vaizduotės žaismas? Juk daug mieliau aplinkinį pasaulį matyti spalvotą!

Ir visgi – kas yra spalva?

Spalvos – jos visad aplink mus. Ir atrodo, o kam čia klausti kas tai yra? Gal ir taip aišku – spalva yra spalva. Štai, žolė žalios spalvos, o dangus – mėlynos. Spalva yra tai, kuo vaikai išmargina spalvinimo knygeles. Spalva – tai gražesnio, įdomesnio pasaulio elementas…

Spalva – tik grožio elementas?

Bet ar tikrai? Ar tikrai spalva – tik grožio elementas? O ką matytum šiame žurnale, jei nebūtų spalvų? Sakai, nespalvotą žurnalą vis vien galėčiau perskaityti… Taip, galėtum. Tačiau informacijos įsisavinimas būtų kur kas mažesnis. Ne be reikalo yra dedami spalvoti paveikslėliai bei išryškinamos antraštės. Kitą vertus, ir balta bei pilka yra spalvos, tiksliau – spalvų mišinys.

1 pav. Spalva turi tris parametrus: 1. Toną (angl. hue) – spalvos tipas (pvz. raudona, žalia, oranžinė); 2. Sodrumą arba „grynumą“ (angl. saturation) – spalvos nuotolis nuo pilkos (kuo mažesnis sodrumas, tuo pilkesnė spalva); 3. Šviesį (angl. value) – nuotolis nuo juodos link baltos. Paveiksle pavaizduotas trimatis HSV subjektyvių spalvų laukas.

Kaip fizikai sako, nėra šalčio, yra tik šilumos nebuvimas; nėra tamsos – yra tik šviesos nebuvimas, taip ir su juoda – galime sakyti, kad nėra absoliučiai juodos spalvos, yra tik spalvų nebuvimas. O ir apskritai, juodos „spalvos“ realiai nėra įmanoma išgauti, nes reikėtų tokios medžiagos, kuri sugeria visas elektromagnetines bangas, nieko neatspindėdama ir nepraleisdama. Šiuo metu visos mums žinomos medžiagos vis vien kažkiek atspindi regimojo diapazono elektromagnetines bangas [daugiau apie tas skaitykite toliau straipsnyje]. Tad bespalvis pasaulis ko gero būtų visiškai juodas… Ar matytume ką nors tokiame pasaulyje??? Toliau straipsnyje daugiau kalbėsime apie spalvų tono reikšmę bei suvokimą – paprastai jis žmogui ir asocijuojasi su spalvos sąvoka.

Spalva – informacijai perduoti

Yra nustatyta, jog žmogus daugiau nei aštuoniasdešimt procentų informacijos iš aplinkos gauna būtent per regą. Ir spalvos čia nemažai prisideda. Štai, dar pirmykščiam žmogui jos buvo būtinos, kad atskirtų tarp žolių tykantį plėšrūną, nuodingas uogas bei grybus nuo maistingųjų. Spalva taip pat gali būti neverbalinio bendravimo būdas. Pavyzdžiui, paraudę žandai mums duoda ženklą, jog žmogus susigėdo arba yra įtūžęs. O štai kai kurie gyvūnai atbaido priešą savo ryškiomis dėmėmis, arba kaip tik, demonstruodami savo plunksnų koloritą vilioja pateles. Manoma, jog plunksnų spalvų sodrumas parodo paukščio sveiką būseną, tad partneriai mieliau renkasi ryškiaspalvius sau į poras.

Šiuolaikinis žmogus taip pat puikiai pritaiko spalvinę gamą informacijai perduoti: visi gerai žinome ką reiškia skirtingų spalvų šviesoforo šviesos bei kelio ženklai. Raudona ir žalia spalvos apskritai turi giliai įsitvirtinusią simboliką, perteikiančią „startas, laisva, galima“ bei „užimta, išjungti, draudžiama“

Pav. 2. Jeigu neregėtume spalvos tonų, matytume nespalvotą pasaulį ir mums būtų sunkiau išskirti bei pastebėti tam tikrus gamtoje esančius objektus.
Pav. 3. Povas demonstruodamas savo plunksnų koloritą vilioja pateles. Manoma, jog plunksnų spalvų sodrumas parodo paukščio sveiką būseną, tad partneriai mieliau renkasi ryškiaspalvius sau į poras.

Kaip mes matome spalvas?

Spalva yra vaizdinio jutimo bei suvokimo dalis. Visi gerai žinome, kad šis jutimas ateina per akis. Štai, užsimerkiame – ir jau nebematome, nebegalime skaityti žurnalo. Regėti mums padeda skaidrūs akies lęšiukas bei stiklakūnis, praleidžiantys tokio bangos ilgio šviesą, kokią sugeria akies dugne, tinklainėje esantys „šviesos jutikliai“ – fotoreceptoriai (Pav. 4.). Šių fotoreceptorių paprastai turime dvi rūšis – kūgelius ir lazdeles, pavadintus pagal jų formą. Lazdelės yra labai jautrios, todėl jomis mes matome naktį, prieblandoje. Tačiau tokiomis sąlygomis beveik neskiriame spalvų tonų. Pastaruosius matome trijų tipų kūgelių pagalba: sugeriančius trumpąsias elektromagnetines bangas (380 – 540 nm), vidutines (420 – 650 nm) ir ilgąsias (460 – 700 nm). Pagal jų jautrumą šioms bangoms šie kūgelių tipai žymimi S, M, L raidėmis, pagal anglų kalbos žodžius „Short“, „Medium“, „Long“.

Pav. 4. Patekusią į akis šviesą sugeria tinklainėje esantys fotoreceptoriai – lazdelės ir kūgeliai. Lazdelės yra atsakingos už matymą prieblandoje, o dėl trijų kūgelių tipų (S, M, L) skirtingų sugerties spektrų mes matome įvairius spalvų tonus. Dešinėje pavaizduotas elektromagnetinių bangų, į kurias reaguoja kūgeliai, dalis. Atkreipkite dėmesį, jog sunku būtų tiksliai nusakyti ties kuriuo bangos ilgiu prasideda ir baigiasi viena ar kita spalva. Taip pat šiame spektre nematome violetinės bei purpurinės spalvų, nes šių spalvų pojūtį sukelia tik atitinkamų bangos ilgių šviesos mišinys.

Visų pirma, kad mes ką nors matytume mums reikia, kad kas nors skleistų 380 – 780 nm (regimojo diapazono) elektromagnetines bangas. O kad matytume spalvotai ir tuos objektus, kurie nešviečia, medžiagos turi turėti savybę atspindėti ir/arba praleisti kurių nors ilgių regimojo diapazono elektromagnetines bangas (jeigu atspindi visas bangas – objektą matome baltą, o jeigu visas praleidžia – skaidrų, permatomą).

Spalva – objekto savybė ar regėjimo pojūtis?

Galima būtų sakyti, jog spalva – tai medžiagų savybė sugerti, praleisti bei atspindėti tam tikras regimojo diapazono elektromagnetines bangas. Paprastai mes ir esame linkę spalvą įvardinti kaip objekto savybę. Pavyzdžiui, mėlynos akys, rudi plaukai, žalia žolė…

Tačiau jau dešimtai klasei skirtame Fizikos vadovėlyje Vladas Valentinavičius rašo:

„Spalva — tai daiktų savybė, suvokiama kaip regėjimo pojūtis.“ Ką gi tai reiškia? Lyg ir daiktų savybė, tačiau suvokiama kažkaip kitaip… Šalia vadovėlio autorius priduria: „Suvokimo procese žmogus daiktui priskiria vieną ar kitą spalvą.“ Aha, reiškia daiktas spalvos neturi, tik mes, žmonės, jam ją priskiriame. Skaitome, kas vadovėlyje pateikiama toliau: „Objektyviai šviesos (elektromagnetinės) bangos spalvos neturi. Būdamos atitinkamo dažnio, jos sukelia mums tik vienokios ar kitokios spalvos įspūdį.“

Ar galėtumėme tuomet šviesos apibrėžimą parašyti taip: Spalva – tai regimojo diapazono elektromagnetinių bangų (atspindėtų ir/ar praleistų pro objektą), patekusių į stebėtojo akis (regos organus), sukeltas regėjimo pojūtis? Jeigu taip – skaitykite toliau.

Subjektyvu! Tad kaip susikalbėti?

Toliau iškyla dar keletas klausimų: Ar mes visi tas bangas, patekusias į mūsų akis, jaučiame vienodai? Ir ar mano raudona yra tokia pati kaip ir tavo raudona? Eksperimentiniai tyrimai parodė, jog vienas žmogus tą pačią spalvą gali vadinti mėlyna, o kitas – žalia. Iškyla naujas klausimas: kaip mes tokiu atveju galime susikalbėti? Atsakymas – kolorimetrijos mokslas.

Yra trys spalvų nagrinėjimo lygmenys: remiantis grynai fizikiniais reiškiniais (objektas ir apšvietimas), fizikiniais reiškiniais ir standartinio stebėtojo fotoreceptorių atsakais bei trečiasis – remiantis fizikiniais reiškiniais, standartinio stebėtojo fotoreceptorių atsakais bei įskaitant kitus kintamuosius, kurie daro įtaką spalvos suvokimui. Pirmajame lygmenyje spalvos yra nagrinėjamos spektrofotometrijos bei spektroradiometrijos mokslų, antrajame – kolorimetrijos, o trečiajame – psichofizikos ir psichofiziologijos. Vadovėlyje spalvos aiškinimas ko gero yra grindžiamas pastarųjų mokslų. Šie mokslai nagrinėja kiekvieną individą atskirai ir bando ieškoti bendrų tendencijų individų grupėms. Tuo tarpu susikalbėti mums padeda kolorimetrijos nustatyti modeliai, kuriuose figūruoja standartinis stebėtojas. Standartinis stebėtojas yra toks hipotetinis, statistinis žmogus, kurio fotoreceptorių reakcijos funkcijos yra nustatytos atlikus tyrimus su 15 – 20 normalios spalvinės regos žmonių. Naudojantis šiomis funkcijomis yra priimtos standartizuotos spalvų kodavimo sistemos, kurios yra naudojamos įvairiuose vaizdo fiksavimo bei reprodukavimo srityse (tiek skaitmeniniuose monitoriuose, tiek spaudoje, dažų gamybai, interjero ir kitų dizainų srityse).

Pav. 5. Schema „Tarp tiesos ir patogumo“. Nors spalvos ir tėra mūsų pojūtis, patogiau sakyti jog tai yra objekto savybė. Esame įpratę sakyti „obuolys yra raudonas“, tačiau nesakome „aš suvokiu/regiu, kad jis yra raudonas“ arba „jaučiu, jog jis atspindi 670 nm šviesą“, arba „jaučiu, jog jis sugeria 500 – 600 nm diapazoną“.

Kita medalio pusė: spektras vienoks, o suvokimas - kitoks

Jeigu spalva yra tai, kas patenka į mūsų akis, tada objektus, kurie skleidžia arba atspindi identišką spektrą turėtumėm matyti identiškų spalvų. Ar visuomet taip yra?

Pav. 6. Pilki skrituliai yra visiškai vienodų spalvų, tačiau vienas jų atrodo šviesesnis, o kitas – tamsesnis. Taip yra dėl to, jog mūsų regos sistema vertindama objekto spalvą, jį lygina su fonu. Tamsiame fone spalvos atrodo šviesesnės, negu šviesiame.
Pav. 7. Akvarelės iliuzija (angl. Watercolor illusion). Dvi žvaigždės: vienos linijos vidinė dalis šviesi gelsva, o išorinė – tamsesnė melsva. Antrosios linijos sukeistos vietomis. Pažvelkite į šių apskritimų vidų. Abiejų jų viduje yra visiškai balta spalva. Ar taip ir atrodo? Galite pamėginti uždengti apskritimo linijas, kad įsitikintumėte jų vidaus vienodumu. Šį kartą regos sistema bando užpildyti tuščią ertmę ir žvaigždės vidų matome lyg švelniai paspalvintą.
Pav. 8. Thorsten Hansen su kolegomis iš Justus Liebig universiteto (Vokietija) parodė, kad spalvos suvokimas priklauso ne tik nuo tikrojo daikto atspalvio, bet ir nuo to, kaip mes jį esame įpratę matyti.

Atminties spalvos (angl. Memory colour) fenomenas pasireiškia tuomet, kai atpažįstami objektai turi tipines spalvas, su kuriomis šie objektai asocijuojasi. Įdomu tai, jog šios spalvos yra dažnai nurodomos sodresnės, negu tikrosios objektų spalvos.

Susumuojant prieš tai pateiktus pavyzdžius galime išskirti, kad vienodi taškai, spektrai gali sukelti skirtingų spalvų pojūčius (objekto spalva priklauso nuo fono; atminties spalvos). Analogiškai skirtingi spektrai gali sukelti tokį patį spalvos pojūtį. Pastaruoju yra grįstas metameriškumas – principas, leidžiantis naudojantis skirtingais šviesos šaltiniais išgauti tokio pat pojūčio spalvas. Taip pat yra gerai žinomai spalvos konstantiškumo (angl. colour constancy) bei apšvietimo atmetimo (angl. discounting the illuminant) efektai, kuomet pasikeitus apšvietimui matome tokias pat objektų spalvas (arba pakitusias labai nežymiai), nors jų atspindėtas elektromagnetinių bangų spektras kardinaliai pasikeičia. Šiais atvejais regos sistema elgiasi panašiai kaip foto bei video kamerų „white balance“ rėžimas.

Dar kita medalio pusė

Prieš tai kalbėjome apie tam tikras sąlygas, kuriomis matomos spalvos interpretuojamos ne taip, kaip „turėtų būti“, kaip parodytų spektrometras ar kitas elektromagnetines bangas fiksuojantis aparatas. Tačiau yra dar sudėtingesnis dalykas – kartais mes spalvas matome „ten, kur jų nėra“.

Pav. 9. Įsižiūrėkite į šalia pateiktą vėliavą. Laikykite į ją nukreiptą žvilgsnį kelias sekundes ir tada staigiai nukreipkite žvilgsnį į sieną. Ar matėte ant sienos greitai dingstantį vaizdą?

Paveiksle 9. pateikto atvejo ant sienos regimas „menamas“ vaizdas vadinamas povaizdžiu (angl. afterimage). Šis efektas yra grindžiamas neuronų, dalyvaujančių vaizdo suvokimo procese, adaptacija.

Vilniaus universiteto Filosofijos fakulteto Psichofiziologijos laboratorijoje atliekami eksperimentai sukelia dar didesnę nuostabą. Nespalvotas diskas, sukamas tam tikru pastoviu dažniu ir esant tam tikro dažnio mirksinčiam apšvietimui „sustoja“ ir nusidažo“. Rašau kabutėse, nes toks vaizdas yra subjektyvus. Dėl dažnių sutapimo atrodo, kad diskas sustoja (kaip kartais galime matyti besisukančio propelerio sparnus). Ir jo „sparnai“ įgauna įvairiausias spalvas tik mūsų vaizduotėje. Vienas iš pavyzdžių pateiktas paveikslėlyje.

Klausimas – kas šiuo atveju yra spalva ir kas ją sukuria?

Trečia medalio pusė: spalvos be elektromagnetinių bangų

Pasirodo, spalvų pojūtis gali būti indukuojamas ir be elektromagnetinių bangų. Užsimerkite. Ar dabar į jūsų patenka regimojo diapazono elektromagnetinės bangos? Ne. Užsimerkite stipriau, pamėginkite paspaudyti užmerktas akis pirštais. Stebėkite ką matote. Ar galėtumėte įvardinti spalvas? Iš kur jos atsiranda?! Pasirodo, tos pačius fotoreceptorius bei kitas tinklainėje esančias neuronines ląsteles, kurios taip pat dalyvauja regėjimo signalų apdorojimo bei siuntimo į galvos smegenis procese, galima sužadinti ne tik elektromagnetinėmis bangomis, o ir mechaniškai. Galima sakyti, jog tokiu būdu mes apgauname regos sistemą, kad atėjo bangos ir sužadino šiuos receptorius.

Vaizdai, sukeliami kitokiu nei šviesos patekimo į akis, būdu, vadinami fosfenais (angl. phosphenes). Aleksandras Volta (1745 – 1827), aprašė užsimerkus regimas ryškias šviesas bei abstrakčius vaizdus, sukeltus prijungtos prie žmogaus galvos elektros grandinės atidarymo ir uždarymo metu (tik nebandykit to pakartoti namuose!).

Pastaruoju metu fosfenais yra itin domimasi, kadangi jie gali būti visai pagrįsta viltis apakusiems. Pasaulyje kuriamos mikroskopinės dirbtinės tinklainės, implantuojamos šalia paciento akies dirba panašiu principu. Elektra sudirginamos dar veikiančios tinklainės ląstelės perduoda signalus į smegenis ir dėl fotoreceptorių degeneracijos apakę pacientai vėl gali išvysti.

Pav. 11. Šiuos vaizdus gali išvysti dėl fotoreceptorių degeneracijos praradę regėjimą pacientai dirbtinės tinklainės pagalba. Šiuo atveju fotoreceptoriai arba tinklainės neuronai, perduodantys signalus apie regimą vaizdą smegenims yra sudirginami elektriniais impulsais.

Hermanas von Helmholtzas (1821 – 1894) pastebėjo, jog ilgai būnant tamsoje pradedami regėti vaizdai. Šį reiškinį jis pavadino „kalinio kinu“.

Grįžtant prie klausimo: kas yra spalva?

Kaip matome, spalvų pojūčiui nėra būtinos elektromagnetinės bangos. Svarbu tik sužadinti fotoreceptorius arba tolesnėse regėjimo proceso stadijose veikiančias ląsteles. Tuomet grįžtame prie klausimo – Tai kas yra spalva? Sakėme, jog spalva yra regimojo diapazono elektromagnetinių bangų (atspindėtų ir/ar praleistų pro objektą), patekusių į stebėtojo akis (regos organus), sukeltas regėjimo pojūtis. Tačiau spalvas galime matyti ir be objekto, ir be bangų. Tai kas iš tiesų yra spalva? Gal vertėtų išdrįsti klausti ar spalvos apskritai egzistuoja? Gal tai tik mūsų vaizduotės vaisius? O gal tai atvejis, kai išimtis tik patvirtina taisyklę? Jeigu jutimo aparatas kartais išeina iš rikiuotės, ar tai jau reiškia, kad tai, ką jis fiksuoja, – neegzistuoja??? Aš manau, kad egzistuoja. Pabaigai pacituosiu Marką D. Fairchildą: „Be stebėtojo nėra ir spalvų“ (angl. „Without human observer there is no colour“).

Žvelkime paprasčiau

Iki šiol citavome tik vadovėlyje aprašytą spalvos sąvoką. O ką apie spalvas sako „rimtesni“, moksliniai leidiniai? Žymių kolorimetrijos mokslininkų G. Wyszecki ir W. S. Styles jau klasikine tapusioje knygoje „Color Science: Concepts and Methods, Quantitative Data and Formulae“ rašoma: „Spalva yra toks vaizdo suvokimo aspektas, kuriuo stebėtojas gali išskirti skirtumus tarp dviejų bestruktūrių, vienodo dydžio ir formos sričių, ir kuris gali kilti dėl šviesos spektro skirtumų. Šiuo požiūriu sąvoka „spalva“ kartais yra vartojama kaip „suvokiama spalva“ <…>.“

Papildoma literatūra

Jeigu susidomėjote spalvų suvokimu, rekomenduojame paskaityti daugiau internete:

Vaiva Kulbokaitė, 2012.

Verta skaityti! Verta skaityti!
(17)
Neverta skaityti!
(0)
Reitingas
(12)
Komentarai (28)
Komentuoti gali tik registruoti vartotojai
Kiti tekstai, kuriuos parašė Vaiva Kulbokaitė
Naujausi įrašai
Susiję pagal žymes:

Įdomiausi

83(0)
63(8)
46(5)
32(1)
28(0)
26(0)
26(3)
25(2)
25(4)
22(0)