Читать книгу "Максвелл. Электромагнитный синтез - Мигель Анхель Сабадель"

Джеймс Клерк Максвелл начал исследование цветов в подходящий момент — во время большого интереса к данной теме.

Шотландский физик-оптик Дэвид Брюстер (1781-1868) сформулировал теорию об ощущении цвета, а немец Герман фон Гельмгольц (1821-1894) опубликовал в 1852 году свою первую статью по этой теме. Согласно Брюстеру, тремя первичными цветами являются красный, синий и желтый; и они соответствуют (следуя Юнгу) трем типам объективного света. Но фон Гельмгольц указал на глубинное несоответствие: эксперименты, поставленные на тот момент, осуществлялись смешиванием пигментов, за исключением немногих, сделанных с помощью цветового круга, а нужно было смешивать свет разных цветов, чтобы можно было сравнить результаты. Для этого фон Гельмгольц сконструировал прибор, способный смешивать свет двух цветов спектра любой интенсивности. У этих экспериментов были удивительные результаты: при смешении красного и зеленого получился желтый, а зеленого и фиолетового — синий.

Максвелл учел замечания немецкого ученого и сконструировал свой прибор в 1852 году. Однако ранее ему нужно было провести собственные исследования с цветовым кругом.

КРУТИСЬ, КРУТИСЬ, ВОЛЧОК

Первое, что нужно было сделать, — получить количественные измерения смешения цветов. Для этого Максвелл изменил круг (своего рода волчок) таким образом, чтобы можно было выбрать количество каждого цвета, который он собирался использовать. В ходе экспериментов Максвелл выяснил, что с помощью белого, черного, красного, зеленого, желтого и синего можно получить любой цвет. Но нужно было сделать результаты более точными, и он использовал второй круг меньшего размера, который поместил поверх первого. Таким образом, на нижний круг накладывались три цвета, например черный, желтый и синий, а на верхний — красный и зеленый. Чтобы количественно оценить пропорцию каждого цвета, который был на обоих кругах, ему нужно было только посмотреть на нанесенную на них шкалу.

Эскиз Ньютона к одному из его экспериментов с цветами. В числе многочисленных разработок английского математика и физика — теория цвета.

Джеймс Клерк Максвелл (в возрасте 23 лет) держит цветовой круг в Тринити- колледже в Кембридже. Максвелл основывался на теории цвета Ньютона и был первым ученым, предложившим количественную теорию цвета, что принесло ему признание коллег.

Можно ли получить один и тот же цвет на обоих кругах? Оказалось, что да. Во время одного из своих экспериментов он обнаружил, что получает один и тот же цвет, грязный желтый, из 46,8 части черного, 29,1 желтого и 24,1 синего, а также из 66,6 части красного и 33,4 части зеленого. Но черный — не цвет: Максвелл включил его, чтобы контролировать блеск и тональность смешения синего и зеленого. Получалось, что 29,1 части желтого и 24,1 синего производят тот же цвет, что и 66,6 части красного и 33,4 части зеленого. Если обозначить цвета как А, В, С и D, а количество каждого цвета — как а, b, с и d, мы можем обобщить этот результат:

cC+dD = aA+bB,

где символ + означает «в сочетании с», а символ = «совпадает по окраске». Точно так же мы можем сказать, что

dD = аА + bВ - сС.

В этом случае символ — означает, что для приравнивания цветов мы должны сочетать С и D и тогда это совпадет со смешением А и В. Следовательно, можно утверждать, что для любого цвета X существует такое смешение из трех цветов, что

хХ = аА + bВ+сС.

Если знак какой-нибудь из величин а, b или с отрицательный, то это значит, что цвет должен сочетаться с X для совпадения по окраске со смешением двух других. В январе 1855 года Максвелл написал:

«Нет необходимости определять какие-либо цвета как типичные для этих ощущений. Юнг выбрал красный, зеленый и фиолетовый, но он мог выбрать любую другую группу из трех цветов, которые дадут белый, если их смешать подходящим образом».

Юнг включил в свою теорию цветовой треугольник, на котором он показывал, что все цвета, включая белый, можно получить на основе трех первичных: красного, зеленого и фиолетового. Это противоречие с триадой цветов, принятой среди художников, в 1849 году Форбс обозначил как «исключительное мнение».

В том же году в январе Максвелл согласился с идеей Юнга, но подчеркнул, что ключевым моментом выбора первичных цветов является их сочетание в нужных пропорциях для получения белого цвета. Благодаря своим экспериментам он чувствовал себя готовым к классификации цветов. Он исходил из предположения немецкого ученого Германа Грассмана (1809-1877), изложенного в его статье «О теории смешения цветов» (Oberdie Theorie der Farbenmischung), опубликованной в 1853 году. В ней говорилось, что с точки зрения цветов существуют три переменные: тон, или спектральный цвет; блеск, или интенсивность цвета; а также блеск белого. Исходя из этого Грассман ввел две производные величины: общий блеск, то есть сумма блесков цвета и белого, и степень насыщенности, или причина блеска одного цвета в общем цвете. Ученый доказал, что каждый цвет может быть представлен через свое положение и определенный «вес» в хроматическом круге Ньютона, так что, например, произведение общего блеска на расстояние от центра дает в результате интенсивность цвета.

Основываясь на всем этом, Максвелл показал, что данные переменные можно представить на диаграмме, которая включает в себя треугольную схему Юнга, цветовой круг Ньютона и классификацию цветов Грассмана. Его геометрическое представление цвета известно как «треугольник Максвелла».

ЦВЕТОВОЙ ТРЕУГОЛЬНИК

Три первичных цвета — красный, зеленый и синий (на самом деле это киноварь, изумрудный и ультрамарин) — представлены вершинами равностороннего треугольника (см. рисунок на следующей странице). Каждая точка треугольника изображает цвет, который можно получить определенным смешением этих трех цветов, а центральная точка представляет собой белый цвет. Каждая точка треугольника соответствует решению уравнения

Цвет = %К + %3 + %С,

где — это процент красного, определяемый как 100 k/(k+3+ с), %3 — процент зеленого, 100 з/(k+3+ с), а %C процент синего, 100 с/ (k+з+с), а и с — расстояния до точки треугольника. Кроме того, спектральный цвет задан угловым положением прямой к центру тяжести треугольника (белому), а уровень насыщенности — расстоянием от него.

Однако Максвелл осознавал, что не все цвета могут образовываться в качестве сочетания этих трех первичных: в его геометрическом представлении были цвета, которые оказывались вне границ треугольника. Какие? Те, что, как мы видели, получаются при вычитании первичного цвета, либо (то же самое) имеющие отрицательное значение с, з или к.

Система Максвелла была устойчивой, поскольку не зависела от выбора первичных цветов, но Джеймс выяснил, что его личный выбор этих цветов очень близок к идеальной триаде, поскольку подавляющее большинство цветов оказывалось внутри треугольника.