2.1. ПРИРОДА СВЕТА
Не было бы света – не было бы и цвета. Чтобы понять цвет, необходимо понять его природу и начало. Исторически сложилось так, что параллельно существовали два взгляда на природу света, и поэтому параллельно развивались две теории. Корпускулярная теория утверждает: свет представляет собой поток частиц (фотоны). С точки зрения волновой теории: свет – электромагнитная волна.
Начало корпускулярной теории света было положено Пифагором, который предположил, что мы видим окружающие нас предметы потому, что они испускают мельчайшие частицы. Развил эту теорию И. Ньютон в своих трудах «Лекции по оптике», «Оптика или трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света». Например, прямолинейное распространение света И. Ньютон объяснил законом инерции. Если на частицу (корпускулу) во время движения не действуют силы или действие сил скомпенсировано, то она сохраняет свою скорость. Причина разнообразия цветов, с точки зрения И. Ньютона, в неодинаковой величине световых корпускул, а именно в том, что наиболее крупные корпускулы вызывают ощущение красного света, а наименьшие – фиолетового. Отражение света объясняется упругим ударом световых частиц об упругую поверхность. Преломление света происходит оттого, что при переходе из менее преломляющей среды в более преломляющую частицам света сообщается ускорение из-за притяжения их второй средой. При этом скорость света в веществе должна быть больше скорости света в вакууме.
Сторонниками волновой теории света были Х. Гюйгенс, Р. Декарт, Ф. Гримальди. Эту теорию развивали в своих трудах Т. Юнг, О. Френель и др. Волновая теория света смогла строго доказать законы отражения и преломления света, обосновала такие явления, как интерференция, дифракция, поляризация света. С точки зрения волновой теории скорость света в веществе должна была быть меньше скорости света в вакууме. Именно этот факт вступал в противоречие с корпускулярной теорией.
Опыты Фуко по определению скорости света в воде (1950 г.) подтвердили предположения сторонников волновой теории. Благодаря этому волновая теория получила признание.
Однако в начале XX века было доказано, что свет – поток частиц – фотонов. Но этот факт уже не вступает в противоречие с волновой теорией света. Оба взгляда на природу света дополняют друг друга. Дуализм света подтверждается формулой Планка ε = hν. Эта формула связывает энергию фотона, которая является квантовой характеристикой, и частоту колебаний, являющуюся волновой характеристикой.
В зависимости от длины волн, световой спектр луча делится на видимую и невидимую части, как было показано ранее на схеме. Видимую часть спектра составляет тот самый белый свет, которому человек обязан цветами и формами. Сам по себе белый световой луч невидим для человеческого глаза. Видимым он становится только при столкновении с внешним предметом. И в данном случае с лучом света происходит одно из четырёх действий: отражение, преломление, отклонение или поглощение.
Сам по себе свет не так однороден, как его видит человек. Это определение вывел великий учёный И. Ньютон, преломив световой луч через призму. Он доказал, что свет содержит всю спектральную палитру цветов, кроме пурпурных оттенков. При этом порядок расположения цветов будет следующим: тёмно-красный, красный, красно-оранжевый, оранжевый, оранжево-жёлтый, жёлтый, жёлто-зелёный, зелёный, сине-зелёный, голубой, синий, сине-фиолетовый, фиолетовый. Это явление имеет актуальное название – дисперсия света.
Дисперсия происходит в различных проявлениях в нашей жизни. Чаще всего мы её можем наблюдать, когда:
• видим красный закат – один из результатов разложения света в атмосфере Земли, причиной которого является зависимость показателя преломления газов, составляющих земную атмосферу, от длины волны света;
• любуемся радугой, чьи цвета обусловлены дисперсией.
Благодаря дисперсии света можно наблюдать цветную игру света на гранях бриллианта и других прозрачных гранёных предметах или материалах. В той или иной степени радужные эффекты обнаруживаются достаточно часто при прохождении света через почти любые прозрачные предметы.
Почему мы не видим весь спектр цветов, который должен отражаться от поверхности предмета? Ответ кроется в таких свойствах света, как поглощение и отражение. Световой луч, сталкиваясь с предметом, как нам уже известно, может поглотиться или отразиться от него. Насколько будет поглощён поверхностью или отражён от неё свет, будет зависеть от её цвета и фактуры. Полное поглощение цветового луча происходит только в случае попадания его на чёрный предмет. Тогда весь цветовой спектр светового луча поглощается поверхностью предмета, и наш глаз видит только чёрное пятно.
При попадании луча на белую поверхность предмета происходит кардинально противоположное действие. Весь цветовой спектр луча отражается от поверхности, и мы видим белый цвет луча. Совмещение отражения и поглощения происходит при попадании светового луча на серый или на хроматический предмет. В этом случае часть цветового спектра луча поглощается предметом, а часть отражается. Вследствие чего наш глаз видит тот или иной оттенок.
Для примера рассмотрим взаимодействие луча с жёлтым и фиолетово-красным предметами. Как показано на схеме, цветовой спектр равномерно попадает на поверхность предмета. Но в отличие от белого или чёрного, здесь не происходит равномерного отражения или поглощения. Часть цветового спектра поглощается поверхностью предмета, а отражается только жёлтый – в первом случае, и красный с фиолетовым – во втором. В результате этой метаморфозы наш глаз видит жёлтую и фиолетово-красную поверхности. Исходя из этого примера, можно сказать, что свет, попадающий на цветную поверхность, разбивается на составляющие. Часть цветового спектра поглощается, а часть, которую человеческий глаз будет воспринимать как цвет предмета, отражается. При взаимодействии луча с тёмными и светлыми поверхностями к хроматической особенности отражения и поглощения добавляется особенность белого и чёрного. То есть чем темнее цвет предмета, тем больше лучей поглощается и меньше отражается.
Следовательно, чем светлее и ярче цвет, тем большее количество цветового спектра отражается. Исходя из нижеприведённого примера видно, что чистый синий цвет без примесей отражается только от синей поверхности. Во всех остальных случаях от поверхности предмета отражается смешанный цветовой спектр луча. Так, на тёмно-синей поверхности поглощаются не только все цвета спектра, но и сам синий в какой-то степени исчезает под покровом темноты. На голубой и светло-синей поверхностях наш глаз атакует уже весь цветовой спектр светового луча. Только в более мягком виде, чем при отражении белого цвета.
Огромное значение при качестве отражения света имеет матовость и шероховатость поверхности предмета. Основной закономерностью здесь будет то, что от гладкой блестящей поверхности происходит максимально яркое и чистое отражение световых лучей, поэтому блестящая поверхность придаёт зрительную яркость и насыщенность цвету предмета. Это же правило можно применить и к гладкой ровной поверхности, что особенно заметно при увеличении и уменьшении пористости волос.
Рассмотрим эти утверждения на приведённых ниже примерах. Световой луч, попадая на гладкую или блестящую поверхность, отражается от неё и без явных изменений попадает в наш глаз.
В случае излишней глянцевости поверхности может появиться эффект бликов, то есть вместо цвета предмета наш глаз увидит яркий белый свет. За счёт этого часть цвета на таком волосе кажется светлее, чем есть на самом деле. Однако при окрашивании волос это играет только на руку.
Матовость поверхности предмета придаётся путём создания мягкой неравномерной текстуры, поэтому при попадании светового луча на такую поверхность происходит его рассеивание, за счёт чего приглушается и падает насыщенность цвета предмета. При сильной пористости волоса мы видим уже усиленный эффект рассеивания светового луча, из-за чего цвет становится очень тусклым, а иногда и более тёмным. Именно отсутствие блеска у волос – первый вестник излишней пористости.