Descompunerea și recompunerea luminii

În secolul I d.Hr. Pliniu și apoi Seneca, au observat că lumina solară se descompune, folosind cristale prelucrate sau naturale.[1] Isaac Newton, în 1676, a descoperit că dacă un fascicul de lumină solară, trece printr-o prismă de cristal și se proiectează pe suprafață plană, albă, se obțin culorile șapte culori (Fig 1).

Această fâșie de culori a fost numită spectru vizibil.[2] Matricea infinită de culori din spectrul real constituie ceea ce numim spectru vizibil, sau culori spectrale. Din această infinitate de culori, ochiul uman poate distinge mai puțin de un milion de culori. În 1927 se credea că ochiul uman poate distinge peste 60.000 de culori cu mențiunea că „artiștii pot distinge, probabil, de două sau de trei ori mai multe culori”.[3]

În 2016, Universitatea din Washington publicase un studiu care arăta că ochiul uman poate distinge milioane de culori[4] iar în 2018, Yang și Pidgeon estimau un număr de 100.000 și 10 milioane.[5]

Inițial, Newton a inclus doar cinci dintre culorile pe care le vedea proiectate pe perete: roșul, galbenul, verdele, albastrul și violetul. Mai apoi avea să adauge indigoul (care, de fapt, nici nu și-ar avea locul aici, căci nu este o culoare pură) și oranjul, rezultând astfel, cele șapte culori ale spectrului simplificat.[6]

Este posibil ca, la ceea ce se referise Newton ca fiind albastru, să fie mai aproape de ceea ce astăzi este cunoscut sub numele de cyan, iar acel indigo să fie pur și simplu albastru închis, rezultatul unui colorant care era utilizat la acea vreme.[7]

Lumina este un amestec de lungimi de undă diferite. Dacă se utilizează o prismă pentru a separa lumina provenită de la soare, în componentele sale, se va observa o secvență de culori care variază de la roșu la violet. Procesul presupune străbaterea prismei de către fasciculul luminos de două ori: prima oară la intrarea în prismă (me → ip), la un anumit unghi de refracție (θi1 ) (unghi de incidență), iar a doua oară la ieșirea din aceasta ( ip → me) cu un alt unghi (θr2 ) (unghi de emergență), diferit ca valoare de primul.

Razele rezultate în urma primei refracții (r1) urmează un traseu cu un unghi mai mic, comparativ cu razele rezultate în urma celei de-a doua refracții r2. Acest efect se datorează indicelui de refracție (n), care este ușor diferit, pentru fiecare lungime de undă și poartă denumirea de dispersie.[8]^,[9]. Definim ca unghi normal perpendiculara de 90° care trece dintr-un mediu în altul.

Există milioane de culori în spectrul vizibil, nu numai șapte, dar Newton, prin analogie cu cele șapte note muzicale,[10] a împărțit în mod arbitrar spectrul, în șapte culori.[11] Fiecăreia dintre cele șapte culori îi corespunde câte un interval de lungimi de undă și de frecvențe diferit.

Liviu Lăzărescu (2009) prezintă un tabel care conține valori cu variațiuni ale lungimilor de undă ale culorilor spectrului vizibil.[12] Pentru a arăta variațiunile instrumentelor de măsurare, sunt date valorile intervalelor de lungimi de undă, pentru douăsprezece culori, obținute de către Itten, Havel, M. Golu – Popescu Neveanu, Ostwald, Abney, Listing, Rood și Fleury (vezi Tabelul 1)

Culorile nesaturate, cum ar fi rozul sau variații ale violetului, cum ar fi magenta, de exemplu, sunt absente, deoarece pot fi realizate numai dacă se amestecă lungimi de undă multiple. Culorile care conțin o singură lungime de undă se mai numesc și culori pure sau culori spectrale.[13]

Spectrul de culoare ROGVAIVi reprezintă o versiune simplificată a spectrului, cu separări bruște și complet artificiale, între culori. Cu toate acestea, putem asocia o gamă destul de largă de lungimi de undă pentru nuanțele culorii roșii, altele pentru ceea ce numim verde și așa mai departe. Fiecare interval de lungimi de undă produce o senzație specifică percepută și interpretată de creierul nostru.

O simplificare și mai accentuată reduce spectrul, la doar trei culori – roșu, verde și albastru – și este utilizat în mod obișnuit de monitoarele de computer și de televizoare. În aceste cazuri, cele trei culori sunt combinate pentru a produce o gamă largă de culori.  Se observă faptul că multe culori pe care le cunoaștem nu sunt prezente, chiar și în cea mai completă secvență de culori spectrale: de exemplu culoarea roz, maro, bej și așa mai departe (Fig 2.).[14]

Analizând lumina emisă de diferite surse de lumină cu un spectrofotometru, se permite observarea lungimilor de undă prezente și a proporțiilor acestora (Gilbert și Haeberli, 2007). Lumina unui bec standard arată toate culorile spectrale, dar culoarea albastră și cea violetă sunt mai puțin intense decât în lumina soarelui, sau lumina de la o lampă cu halogen.

Dacă se scade intensitatea energiei electrice care trece prin bec, filamentul devine mai rece și lumina emisă devine mai slabă și apare mai galbenă. Când această lumină este analizată cu spectrofotometrul, violetul și albastrul au dispărut din spectru, explicându-se astfel, de ce lumina pare a fi mai galbenă.[15]

Sinteza luminii (recompunerea) presupune recompunerea luminii albe, din fasciculele colorate (ROGVAIVi). Acest proces se poate demonstra prin cel puțin două moduri. Primul, presupune așezarea unei lentile convergente în fața fasciculelor de lumină colorată care ies dintr-o prismă. Dacă fasciculul rezultat este proiectat pe un perete, se va observa că aceasta va avea culoarea albă.[16]

Al doilea mod, demonstrat în 1962 de către Newton, implică discul lui Newton. Se împarte raza unui cerc în șapte părți egale și se aplică pe fiecare parte aceleași șapte culori menționate mai sus, apoi se rotește discul. Vom observa că după o anumită viteză de rotație întreg discul va părea ca fiind alb, sau aproape alb.[17]

Bibliografie:

[1] A. Brekke; A. Egeland, The Northern Light: From Mythology to Space Research, Editura Springer-Verlag, Editura Springer-Verlag, Berlin, Germania,1983, p. 36.

[2] Shamey, Renzo. (2015). Newton, (Sir) Isaac. 10.1007/978-3-642-27851-8_364-1.

[3] L.G. Pope, “How Many Colors Can You See?“, Revista Popular Science, februarie 1927, p.20

[4] Pullman, Wash, “How many colors can we see?”, Washington State University. 13 iulie 2016. (https://news.wsu.edu/2016/07/14/ask-dr-universe-many-colors-can-see/)

[5] Jason Yang , ‎Charles Pidgeon, Vision Facts: Questions about the Human Eye, Editura: Universal-Publishers, 2018, p. 29

[6] Liviu Lăzărescu, Op. cit, p. 22.

[7] Gary Waldman, Introduction to Light: The Physics of Light, Vision, and Color, Editura: Courier Corporation, North Chelmsford, Massachusetts, 2002, p. 193

[8] Bye, Louise, et al. Basic Sciences for Ophthalmology. OUP Oxford, 2013, p. 206

[9] Simmons, Joseph, și Kelly S. Potter. Optical Materials. Academic Press, 2000, p. 25.

[10] Smith, George (25 April 2002). Irwin Bernard Cohen (ed.). The Cambridge Companion to Newton (in Engleză). Bernard Cohen. Cambridge University Press. p. 380. ISBN 978-0-521-65696-2. Retrieved 1 September 2020.

[11] Richard Misek (2 February 2010). Chromatic Cinema: A History of Screen Color. John Wiley & Sons. p. 28. ISBN 978-1-4443-2008-4.

[12] Liviu Lăzărescu, Op. cit. p. 21

[13] Yunebae Park (2004). Teaching and Learning of Physics in Cultural Contexts: Proceedings of the International Conference on Physics. World Scientific. p. 428. ISBN 978-981-238-766-0. Retrieved 1 September 2020.

[14] Pupa U.P.A. Gilbert; Willy Haeberli, Op. cit., p. 95-97

[15] Gilbert, P. U. P. A.; Haeberli, Willy, “Experiments on subtractive color mixing with a spectrophotometer“, American Journal of Physics, Volume 75, Issue 4, pp. 313-319 (2007) DOI: 10.1119/1.2431654

[16] Stelian Acea, Op. cit., p. 18.

[17] Liviu Lăzărescu, Op. cit., p. 23.