طبیعت بی رنگ : چگونه فرکانس های نور در چشم و مغز ما به طبیعت رنگ می دهند؟

 

رنگ های اصلی

اگر نورهای قرمز، سبز و آبی را با شدت یکسان روی یک صفحه نمایش دهید، خواهید دید که در جایی که همه آنها روی هم قرار می گیرند، سفید تولید می شود. در جایی که دو رنگ از سه رنگ با هم همپوشانی دارند، رنگ دیگری تولید می شود.

 در زبان فیزیکدانان گفته می شود که نورهای رنگی که روی هم قرار می گیرند به یکدیگر افزوده می شوند. بنابراین می گوییم که نور قرمز، سبز و آبی به هم افزوده می شوند تا نور سفید ایجاد شود. و هر دو رنگ از این نور برای تولید رنگ دیگری افزوده می شوند. مقادیر مختلف قرمز، سبز و آبی، رنگ هایی که هر یک از سه نوع مخروط ما به آنها حساس هستند، هر رنگی را در طیف تولید می کنند. به همین دلیل قرمز، سبز و آبی را رنگ های اصلی افزودنی می نامند. این سیستم رنگ که با حروف اول RGB شناخته می شود، در مانیتورهای کامپیوتر و تلویزیون نیز استفاده می شود. نقاط قرمز، سبز و آبی تصویر را ایجاد می کنند. فیروزه ای، زرد و سرخابی در جایی که جفت نقطه روی هم قرار می گیرند ظاهر می شوند. بررسی دقیق تصویر روی صفحه تلویزیون مجموعه نقاط ریز را که عرض هر کدام کمتر از یک میلی متر است، نشان می دهد. وقتی صفحه روشن می شود، ترکیب رنگ های RGB که در فاصله دور دیده می شوند، طیف کاملی از رنگ ها از جمله سفید را ارائه می دهند.

رنگ های مکمل

وقتی دو تا از سه رنگ اصلی افزودنی با شدت یکسان با هم ترکیب شوند، در اینجا چه اتفاقی می‌افتد:

قرمز + آبی = سرخابی

قرمز + سبز = زرد

آبی + سبز = فیروزه ای

ما می گوییم سرخابی مخالف سبز، زرد مخالف آبی و فیروزه ای مخالف قرمز است. حالا وقتی هر یک از این رنگ ها را به رنگ مقابلش اضافه می کنیم، رنگ سفید به دست می آید:

سرخابی + سبز = سفید (= قرمز + آبی + سبز)

زرد + آبی = سفید (= قرمز + سبز + آبی)

فیروزه ای + قرمز = سفید (= آبی + سبز + قرمز)

وقتی دو رنگ با هم جمع می شوند و رنگ سفید ایجاد می کنند، رنگ های مکمل نامیده می شوند. هر رنگی دارای مقداری رنگ مکمل است که وقتی به آن اضافه شود، سفید می شود.

این واقعیت که یک رنگ و مکمل آن برای تولید نور سفید ترکیب می شوند، به خوبی در نورپردازی اجراهای صحنه استفاده می شود. برای مثال، نورهای آبی و زردی که بر روی پرده ها می تابد، اثر نور سفید را ایجاد می کنند – به جز جایی که یکی از این دو رنگ وجود ندارد، مانند سایه ها. سایه یک لامپ – مثلاً آبی – توسط لامپ زرد روشن می شود و زرد به نظر می رسد. به همین ترتیب، سایه انداخته شده توسط لامپ زرد آبی به نظر می رسد. این جالب ترین اثر است.

در شکل زیر، جایی که نورهای قرمز، سبز و آبی بر روی توپ گلف می تابد. به سایه های ایجاد شده توسط توپ توجه کنید. سایه میانی توسط نورافکن سبز ایجاد می شود و تاریک نیست زیرا توسط نورهای قرمز و آبی روشن می شود که سرخابی می سازند. سایه ای که نور آبی ایجاد می کند زرد به نظر می رسد زیرا با نور قرمز و سبز روشن می شود. آیا می توانید ببینید که چرا سایه ای که توسط نور قرمز ایجاد می شود، فیروزه ای به نظر می رسد؟

ترکیب رنگدانه ها

هر هنرمندی می‌داند که اگر رنگ‌های قرمز، سبز و آبی را با هم ترکیب کنید، نتیجه سفید نیست، بلکه قهوه‌ای تیره گل آلود خواهد بود. رنگ قرمز و سبز مطمئناً وقتی با هم ترکیب می شوند، رنگ زرد را تشکیل نمی دهند. این مانند ترکیب نورهای رنگی نیست. ترکیب رنگدانه ها با ترکیب رنگ های نور کاملاً متفاوت است.

 رنگدانه ها ذرات ریزی هستند که رنگ های خاصی را جذب می کنند. به عنوان مثال، رنگدانه هایی که رنگ قرمز را تولید می کنند، رنگ مکمل فیروزه ای را جذب می کنند. بنابراین چیزی که به رنگ قرمز، رنگ شده است بیشتر رنگ فیروزه ای را جذب می کند، به همین دلیل است که قرمز را بازتاب می کند. در واقع، فیروزه ای از نور سفید کم شده است. چیزی که به رنگ آبی، رنگ آمیزی شده است، زرد را جذب می کند و بنابراین همه رنگ ها به جز زرد را بازتاب می کند. زرد را از سفید جدا کنید، آبی خواهید داشت. فیروزه ای، زرد و سرخابی رنگ های اصلی تفریق کننده هستند. تنوع رنگ در عکس های رنگی در هر کتابی نتیجه نقاط فیروزه ای، زرد و سرخابی است. نور کتاب را روشن می کند و نور برخی از فرکانس ها از نور بازتاب شده کم می شود. قوانین تفریق رنگ با قوانین افزودن نور متفاوت است.

چاپ رنگی یکی از کاربردهای جالب ترکیب رنگ است. در شکل زیر، سه عکس (جداسازی رنگ) از تصویر برای چاپ گرفته شده است: یکی از طریق فیلتر سرخابی (a)، یکی از طریق فیلتر زرد (b) و دیگری از طریق فیلتر فیروزه ای (c) . هر یک از سه نگاتیو دارای الگوی متفاوتی از مناطق در معرض دید هستند که با فیلتر استفاده شده و توزیع رنگ در تصویر اصلی مطابقت دارد. نور از طریق این نگاتیوها به صفحات فلزی می‌تابد که مخصوص نگهداری جوهر چاپگر فقط در مناطقی که در معرض نور قرار گرفته‌اند، هستند. رسوبات جوهر در قسمت های مختلف صفحه توسط نقاط ریز تنظیم می شود. چاپگرهای جوهر افشان ترکیب های مختلفی از جوهرهای فیروزه ای، زرد، سرخابی و سیاه را در خود جای می دهند. این چاپCMYK است. (C نشان دهنده فیروزه ای، M نشان دهنده ی سرخابی، Y نشان دهنده زرد و K  نشان دهنده سیاه است).

در شکل بالا از ترکیب سه تصویر بالا، تصویر d ایجاد می شود و سپس رنگ سیاه به آن اضافه می شود تا تصویر اصلی تولید شود. در نتیجه فقط چهار رنگ در چاپگر نیاز است.

 جالب اینجاست که این سه رنگ می‌توانند رنگ مشکی تولید کنند، اما جوهر بیشتری مصرف می‌کند و رنگ‌آمیزی دارد – از این رو جوهر سیاه کار بهتری انجام می‌دهد. رنگ هر یک از شکل های کتاب را با ذره بین بررسی کنید و ببینید که چگونه نقاط روی هم افتاده این رنگ ها طیف وسیعی از رنگ ها را نشان می دهند. یا به یک بیلبورد از نزدیک نگاه کنید.

چرا آسمان آبی است؟

همه رنگ ها حاصل جمع یا تفریق نور نیستند. برخی رنگ ها مانند آبی آسمان نتیجه پراکندگی هستند. برای درک پراکندگی، یک موج صوتی با فرکانس خاصی را که به سمت یک دیاپازون هدایت می شود، در نظر بگیرید. دیاپازون در حالت نوسان قرار می گیرد و موج را در جهات مختلف هدایت می کند. دیاپازون صوت را پراکنده می کند. اگر فرکانس موج صوتی فرودی نزدیک به فرکانس نوسان طبیعی دیاپازون باشد، پراکندگی قوی است. اگر فرکانس موج فرودی از فرکانس طبیعی دیاپازون دور باشد، پراکندگی ضعیف است.

فرآیند مشابهی با پراکندگی نور از اتم‌ها و مولکول‌ها در اتمسفر رخ می‌دهد. این ذرات در ناحیه فرابنفش به شدت نور را تابش می‌کنند، بنابراین می‌توان گفت که فرکانس‌های طبیعی آنها بالاتر از فرکانس‌های مرئی است. این بدان معناست که نور آبی از نظر فرکانس بیشتر از نور قرمز به فرکانس های طبیعی اتم ها و مولکول ها نزدیک تر است و شدیدتر از نور قرمز پراکنده می شود.

 شما می توانید یک مولکول در هوا را به عنوان یک زنگ کوچک در نظر بگیرید که با فرکانس بالا “زنگ می خورد” اما می تواند برای لرزش ضعیف در فرکانس پایین تر فعال شود. مولکول‌های نیتروژن و اکسیژن که بیشتر جو را تشکیل می‌دهند، مانند زنگ‌های کوچکی هستند که وقتی تحت تأثیر نور خورشید قرار می‌گیرند، با فرکانس‌های بالا به صدا در می‌آیند. مانند صدای زنگ ها یا دیاپازون ها، نور تابش شده به همه جهات ارسال می شود.

از بین فرکانس های مرئی نور خورشید، بنفش بیشترین پراکندگی را در جو دارد و به ترتیب آبی، سبز، زرد، نارنجی و قرمز قرار دارند. قرمز فقط یک دهم رنگ بنفش پراکنده است. اگرچه نور بنفش بیشتر از آبی پراکنده می شود، چشمان ما به نور بنفش حساسیت چندانی ندارند. بنابراین، نور پراکنده آبی چیزی است که در دید ما غالب است و ما آسمان آبی را می بینیم.

رنگ آبی آسمان در مکان های مختلف در شرایط مختلف متفاوت است. یک عامل اصلی، بخار آب موجود در اتمسفر است. در روزهای صاف و خشک، آسمان آبی بسیار عمیق تر از روزهای صاف با رطوبت زیاد است.

 در مکان هایی که هوا فوق العاده خشک است، مانند ایتالیا و یونان، آسمان آبی زیبا برای قرن ها الهام بخش نقاشان بوده است. در جایی که جو حاوی مقدار زیادی ذرات غبار و سایر ذرات بزرگتر از مولکول های اکسیژن و نیتروژن است، نور فرکانس های پایین تر نیز به شدت پراکنده می شود. این باعث می شود آسمان کمتر آبی شود و ظاهری سفید به خود بگیرد. پس از یک طوفان شدید باران، هنگامی که ذرات شسته شده اند، آسمان آبی عمیق تر می شود.

مه خاکستری در آسمان شهرهای بزرگ نتیجه ذراتی است که از موتورهای اتومبیل و کامیون و کارخانه ها تابش می شود. حتی در حالت بیکار، یک موتور خودروی معمولی بنزین سوز بیش از ۱۰۰ میلیارد ذره در ثانیه تابش می کند. بیشتر ذرات نامرئی هستند، اما به عنوان مراکز کوچکی عمل می کنند که ذرات دیگر به آن می چسبند. اینها پراکنده های اولیه نور با فرکانس پایین تر هستند. بزرگترین این ذرات به جای پراکنده کردن نور، نور را جذب می کنند و مه قهوه ای ایجاد می شود.

اکنون به این پرسش فکر کنید:

کوه های تیره دور مایل به آبی هستند. منشأ این آبی چیست؟ (نکته: بین ما و کوه هایی که می بینیم چیست؟)

حال پاسخ خود را با پاسخ ما مقایسه کنید:

اگر به کوه های تیره دوردست نگاه کنیم، نور بسیار کمی از آنها به ما می رسد و آبی بودن جو بین ما و آنها غالب می شود. آبی که ما به کوه ها نسبت می دهیم در واقع آبی “آسمان” کم ارتفاع بین ما و کوه هاست!

چرا غروب خورشید قرمز است؟

نوری که پراکنده نمی شود، نوری است که منتقل می شود. از آنجایی که نورهای قرمز، نارنجی و زرد کمترین میزان پراکندگی را در جو دارند، نور این فرکانس‌های پایین‌تر بهتر از طریق هوا منتقل می‌شود. رنگ قرمز که کمترین پراکندگی را دارد – و بنابراین بیشترین انتقال را دارد – بیش از هر رنگ دیگری از جو عبور می کند. بنابراین هرچه جوی که پرتوی نور خورشید از آن عبور می کند طولانی تر باشد، اجزای نور با فرکانس بالاتر بیشتر پراکنده می شوند. این بدان معنی است که نوری که به بهترین شکل از آن عبور می کند قرمز است. همانطور که شکل زیر نشان می دهد، نور خورشید در هنگام غروب خورشید بیشتر از جو عبور می کند و به همین دلیل است که غروب خورشید (و طلوع خورشید) قرمز است.

در ظهر، نور خورشید از کمترین مقدار جو عبور می کند تا به سطح زمین برسد. فقط مقدار کمی از نور با فرکانس بالا از نور خورشید پراکنده می شود، به اندازه ای که خورشید را زرد رنگ می کند. با پیشروی روز و پایین آمدن خورشید در آسمان، مسیر عبور از جو طولانی تر می شود و بنفش و آبی بیشتری از نور خورشید پراکنده می شوند. حذف بنفش و آبی نور عبوری را قرمزتر می کند. خورشید به تدریج قرمزتر می شود و از زرد به نارنجی و در نهایت به قرمز-نارنجی در غروب خورشید تبدیل می شود. غروب و طلوع خورشید پس از فوران های آتشفشانی به طور غیرعادی رنگی هستند زیرا ذرات بزرگتر از مولکول های جو در هوا فراوان تر هستند.

رنگ های غروب خورشید با قوانین ما برای ترکیب رنگ سازگار است. وقتی آبی از نور سفید کم می شود، رنگ مکملی که باقی می ماند زرد است. وقتی رنگ بنفش با فرکانس بالاتر کم شود، رنگ مکمل نارنجی است. وقتی رنگ سبز با فرکانس متوسط ​​کم شد، سرخابی باقی می ماند. ترکیب رنگ‌های حاصل با شرایط جوی متفاوت است، شرایطی که روز به روز تغییر می‌کند و غروب‌های متنوعی را برای لذت بردن به ما می‌دهد.

سوالی که ایجاد می شود اینست که، چرا وقتی پس‌زمینه تیره است، آبی پراکنده را می‌بینیم اما وقتی پس‌زمینه روشن است، نمی‌بینیم؟ چون آبی پراکنده کمرنگ است. یک رنگ کم رنگ در پس زمینه تیره خود را نشان می دهد اما در پس زمینه روشن نه. به عنوان مثال، وقتی از سطح زمین به جو در برابر تاریکی فضا نگاه می کنیم، جو آسمان آبی است. اما فضانوردان بالا که از طریق همان جو به سطح درخشان زمین نگاه می کنند، همان آبی را نمی بینند.

اکنون به سوالات زیر فکر کنید:

1.  اگر مولکول های آسمان نور با فرکانس پایین را بیشتر از نور با فرکانس بالا پراکنده کنند، آسمان چه رنگی خواهد بود؟ غروب چه رنگی خواهد بود؟
2.  کوه های پوشیده از برف دوردست، نور زیادی را بازتاب می کنند و درخشان هستند. آنهایی که خیلی دور هستند زرد به نظر می رسند. چرا؟ (نکته: برای نور سفید بازتاب شده وقتی که از کوه ها به سمت ما حرکت می کند چه اتفاقی می افتد؟)

پاسخ های خود را بررسی کنید:

1.  اگر نور با فرکانس پایین پراکنده می شد، آسمان ظهر به رنگ قرمز مایل به نارنجی ظاهر می شد. در غروب خورشید، رنگ های قرمز بیشتری توسط مسیر طولانی تر نور خورشید پراکنده می شود و نور خورشید عمدتاً آبی و بنفش خواهد بود. بنابراین غروب آفتاب آبی به نظر می رسد!
2. کوه های درخشان پوشیده از برف زرد به نظر می رسند زیرا آبی در نور سفیدی که بازتاب می کنند در مسیر خود به سمت ما پراکنده می شود. زمانی که نور به ما می رسد، در فرکانس های بالا ضعیف و در فرکانس های پایین قوی می شود – بنابراین مایل به زرد است. کوه های پوشیده از برف بسیار دورتر رنگ نارنجی دارند به همان دلیل که غروب خورشید نارنجی به نظر می رسد.

چرا ابر سفید است؟

قطرات آب به طور قابل توجهی بزرگتر از مولکول های منفرد هستند و رفتار متفاوتی دارند. قطرات آب به جای پراکندگی که با ذرات ریز اتفاق می‌افتد، نور همه رنگ‌ها را تقریباً به یک اندازه شکسته و بازتاب می‌کنند. نتیجه یک ابر سفید است.

هر قطره بخش کوچکی از نوری را که به آن برخورد می کند جذب می کند، بنابراین اگر قطرات کافی داشته باشید، جذب زیادی رخ می دهد. نور بسیار کمی از یک ابر واقعا بزرگ عبور می کند، به همین دلیل است که تاریک به نظر می رسد. اگر ابری در سایه ابر دیگری باشد نیز می تواند تاریک شود. افزایش بیشتر در اندازه قطرات باعث می شود که آنها به صورت قطرات باران ببارند و باران خواهیم داشت.

دفعه بعد که متوجه شدید که آسمان آبی شفاف را تحسین می کنید، یا از شکل ابرهای درخشان لذت می برید، یا یک غروب زیبا را تماشا می کنید، به تمام آن دیاپازون های نوری بسیار ریز که در حال ارتعاش هستند فکر کنید.

چرا رنگ آب، آبی مایل به سبز است؟

ما اغلب وقتی به سطح دریاچه یا اقیانوس نگاه می کنیم، آبی عمیق و زیبا را می بینیم. اما این رنگ آب نیست. این رنگ بازتاب شده از آسمان است. رنگ خود آب، همانطور که با نگاه کردن به یک تکه جسم سفید زیر آب در می یابید، آبی مایل به سبز کم رنگ است.

اگرچه آب در برابر نور تقریباً تمام فرکانس های مرئی شفاف است، اما امواج فروسرخ را به شدت جذب می کند. این به این دلیل است که مولکول های آب در فرکانس های فروسرخ تشدید ایجاد می کنند. انرژی امواج فروسرخ در آب به انرژی درونی تبدیل می شود و به همین دلیل است که نور خورشید آب را گرم می کند. مولکول های آب تا حدودی در قرمز نور مرئی تشدید ایجاد می کنند، که باعث می شود نور قرمز کمی بیشتر از نور آبی در آب جذب شود.

 شدت نور قرمز در عمق ۱۵ متری آب به یک چهارم شدت اولیه کاهش می یابد. نور قرمز بسیار کمی در نور خورشید وجود دارد که به عمق ۳۰ متری آب نفوذ کند. وقتی قرمز از نور سفید حذف می شود، چه رنگی باقی می ماند؟ این سوال را می توان به شکل دیگری مطرح کرد: رنگ مکمل قرمز چیست؟ رنگ مکمل قرمز فیروزه ای-سبز مایل به آبی است. در آب دریا، همه چیز در این اعماق رنگ فیروزه ای دارد.

بسیاری از خرچنگ‌ها و دیگر موجودات دریایی که در عمق آب سیاه به نظر می‌رسند، وقتی به سطح می‌آیند قرمز هستند. در این اعماق، سیاه و قرمز یکسان به نظر می رسند. ظاهراً مکانیسم انتخاب تکامل نمی تواند بین سیاه و قرمز در چنین اعماق اقیانوس تمایز قائل شود.

در حالی که رنگ سبز مایل به آبی آب از طریق جذب انتخابی نور ایجاد می شود، آبی روشن و جذاب دریاچه های کوه های صخره ای کانادا به دلیل پراکندگی است. ذرات سیلت، به نام آرد سنگ، که در آب معلق می مانند. نور از این ذرات ریز پراکنده می شود و به آب رنگ زنده می دهد.

 (به گردشگرانی که از این دریاچه‌ها عکس می‌گیرند توصیه می‌شود که تنظیمات پردازنده‌های عکس خود را روی آبی “واقعی” تنظیم نکنند!)

به اندازه کافی جالب توجه است که رنگی که ما می بینیم در طبیعت بی رنگ اطراف ما نیست. بلکه این رنگ در سر ماست. جهان مملو از ترکیبی از ارتعاش ها است – امواج الکترومغناطیسی که هنگامی که ارتعاشات با آنتن های گیرنده مخروطی شکل در شبکیه چشم ما تعامل دارند، احساس رنگ را تحریک می کنند. چقدر خوب است که فعل و انفعالات چشم و مغز رنگ های زیبایی را که ما می بینیم تولید می کند.

منبع:

Conceptual Physics