Newton színelmélete

A színek tudományos vizsgálatának kezdőpontját kétségtelenül Newton színelméletéhez kell kötnünk, melyet az 1660-as években kezdett kidolgozni, és 1704-ben megjelent Opticks című művében foglalt össze.

Az ókori és kora középkori előzményeket a Spekulatív színmagyarázatok c. írásunkban érintettük röviden. A középkorban – nagyjából a reneszánsszal kezdődően – ismét megnőtt az érdeklődés a színek iránt. Filozófusok, teológusok, fizikusok („természetfilozófusok”), festőművészek, kelmefestők, később nyomdászok és színes képek sokszorosítói próbálták megfejteni a színek és a színkeverés titkait. Az első konzisztens (bár téves következtetéseket is tartalmazó), tudományosan megalapozott színelmélet kidolgozása Isaac Newton nevéhez fűződik.

Az Opticks-ban Newton a színtanát a fénytan egészébe ágyazva fejti ki, megfigyeléseire és kísérleteire alapozva, elsődlegesen fizikai szemszögből.

Az Opticks első kiadásának címlapja

A köztudatban élő történettel szemben nem Newton jött rá arra, hogy az üvegprizma színes sugarakra bontja a napfényt („fehér” fényt) – ezt már korábban többen megfigyelték –, de arra igen, hogy a prizmával felbontott fehér fény összetevőiből (spektrumából) kiválasztott egyetlen színes „homogén” fénysugarat egy keskeny résen átengedve, az egy második prizmával nem bontható tovább. Az egyszer felbontott fehér fény színes sugarai megőrzik színezetüket*.

*Ma már tudjuk, hogy egy folytonos spektrum mégoly keskeny sávja is valójában különböző hullámhosszúságú összetevőkből áll, csak ezeket a látásunk már nem tudja elkülöníteni.

Vázlat Newton egyik, két prizmával végzett kísérletéről. A két prizma lehetővé tette, hogy az egyikkel felbontott fehér fény teljes spektrumából Newton keskeny rész-spektrumokat tudjon tüzetesebben vizsgálni. Az ábrán a napfény a jobb oldalon, az egyébként teljesen elsötétített ablak pici lyukán keresztül érkezik a lencsére, majd az első prizmára. A bal oldali, második prizmára egy keskeny résen át csak a kiválasztott összetevő jut el

A prizma nem módosítja a napfényt (mint addig sokan hitték), hanem csak szétválasztja, és láthatóvá teszi a fehér fényben már meglévő színes fénysugarak skáláját (a napfény spektrumát). Ezek egyesítésével a fehér fény újra előállítható, azaz a napfény „fehér” fénye a spektrum összes színéből álló összetett fény.

Newton azonban ebből a tényből először levonta azt a téves következtetést is, hogy a fehér fény előállításához az összes spektrumszínre (illetve az általa megnevezett hét „alapszínre”) szükség van. Ezt a holland Christiaan Huygens (a kor második legnagyobb fizikusa) hamarosan kísérletileg megcáfolta. Ugyanis pusztán két szín (két színes fény, nevezetesen kék és sárga) adott arányú keverésével létre tudta hozni a fehér fényt. Mai kifejezéssel, a kék és a sárga komplementer, azaz kiegészítő színek a fények keverésekor. Későbbi felismerés, hogy bármely színes fénynek van komplementere, amellyel a fehér fény előállítható, így csupán két színes fény meghatározott arányú keverésével is kikeverhető a fehér fény. Newton ezzel haláláig nem értett egyet, végül csak annyit volt hajlandó elismerni, hogy a fehér fény „kis számú összetevőből is kikeverhető”, ami szerinte konkrétan négy- vagy ötféle színt jelentett (vörös, sárga, zöld, kék és ibolya).

Newton a prizmakísérletei alapján hét spektrumszínt (valójában színcsoportot) különböztetett meg mint “alapszínt”: a vöröset, a narancsot, a sárgát, a zöldet, a kéket, az indigót és az ibolyát – ezek külön-külön egy-egy tartományt jelentenek, amelyek folytonosan mennek át egymásba**. (Amit ő kéknek nevezett, azt ma türkiznek vagy ciánnak hívjuk, az indigót pedig kéknek, az ibolya maradt ibolya.)

**Érdekes kérdés, hogy hány különböző színárnyalatot tudunk érzékelni a fehér fény spektrumában. Mivel a spektrumszínek telítettsége 100%-os, és a világosságot adottnak tekintjük, itt csak az egyik dimenzió, a színezet megkülönböztetéséről (hue discrimination) van szó. Az ezirányú vizsgálatok szerint a spektrumszínek esetében ez kb. 100 –150 féle színezet a teljes látható hullámhossz-tartományban.

A napfény spektruma (ábra: David Briggs)

Szellemes módon Newton a lineáris spektrumot (rajzban) meghajlította, és a két végét egymáshoz illesztette, az egyenesből kört formálva. Ily módon a hét alapszínt egy kör kerületére helyezte (colour circle). Ez az alakzat sok későbbi „színdiagram” előképe, de akár azt is mondhatjuk, hogy ez volt az első színdiagram (a színesség síkbeli ábrázolása zárt alakzaton). Vizsgáljuk meg közelebbről ezt a nevezetes színkört!

Newton eredeti színköre, amelyet az Opticks-ban tett közzé. A kör kerületét a spektrumszínek foglalják el, belül pedig a keverékszínek vagy összetett színek sokasága található. A maga idejében, és később is, ez a színkör rendkívül népszerű volt, és további színkörök, színháromszögek, színtestek, színminta-albumok létrehozására ösztönözte a tudósokat, művészeket, vegyészeket, nyomdászokat

Newton briliáns felismerése volt, hogy bár a középpontot (O = fehér) a kör kerületével összekötő egy-egy szakasz mentén a színezet (hue) ugyanaz marad, de a telítettség (saturation, szóhasználatában „fulness” vagy „intenseness”) az O ponttól való távolságtól függően változik. A hét szín (a p, q, r, s,…ívfelező pontokhoz tartozó „alapszínek”) meghatározott arányú keverésével bármely belső szín előállítható***, és egy ilyen keverék valamely spektrumszíntől csak a telítettségében fog különbözni, a színezetében nem.

***Csak majdnem bármely szín. A hét alapszínponttal egy hétszög rajzolható a körbe, amely csaknem teljesen lefedi a kör területét. Hét alapszínből a hétszög területén belüli és az oldalain lévő színek keverhetők ki. Két spektrumszín keveréke a nekik megfelelő két pontot összekötő szakaszon helyezkedik el, azaz nem lesz tiszta spektrumszín.

Pl. Newton 1 egységnyi ibolya, 1 egységnyi indigó, 2 egységnyi kék, 3 egységnyi zöld, 5 egységnyi sárga, 6 egységnyi narancs és 10 egységnyi vörös keverésével (a mennyiségeket az ívek felezőpontjai köré rajzolt kis körök szemléltetik az ábrán) a Z pontnak megfelelő telítetlen narancsszínt kapta. A Z pont a megadott arányú hét szín „súlypontja” (center of gravity). Ugyanez a szín úgy is előállítható, hogy az Y spektrumszín telítettségét az OZ/OY arányban csökkentjük. Ennek a felismerésnek a jelentőségét nem lehet túlértékelni: mindig lehet olyan keverékszínt találni, amelynek színezete azonos egy spektrumszín színezetével. Amiben különböznek, az a telítettségük. Nyilvánvalóvá vált, hogy a színezet és a telítettség a színek önálló dimenziói. Ha ehhez hozzávesszük a színek világosságát, már csak egy kis lépés a háromdimenziós színfogalom megjelenése (1719, Brook Taylor).

A Newton-féle színkör hiányossága – azon túl, hogy a kör alak a későbbiekben nem bizonyult időtállónak –, hogy a hét színcsoportot Newton nem a spektrumban elfoglalt valódi színezeti arányaik szerint helyezte el a kör kerületén. Távolságuk a kör kerületén a dór hétfokú modális hangsor hangtávolságait követi (D, E, F, G,…). Ez nem felel meg a valódi, érzet szerint arányoknak, de abban a korban sok minden mást is a zenei harmóniákkal hoztak kapcsolatba. Miért pont a színek „harmóniája” lett volna kivétel? A következő ábrán bemutatjuk a napfény manapság legpontosabb eszközökkel meghatározott színképét (a légkör fölött mérve, és nem feltüntetve az ún. Fraunhofer-féle sötét, elnyelési vonalakat, amelyek a szokásos felbontású eszközökkel nem láthatók).

A napfény spektrumának általunk érzékelhető tartományában (kb. 380 – 780 nanométeres hullámhossz-tartomány) az összetevők a színezetet tekintve ilyen eloszlást mutatnak, és így mennek át folytonosan egymásba. Newton hét alapszínének távolságai a színkörön nincsenek összhangban az itt látható távolságokkal.

Newton tudatában volt annak, hogy a hét „elsődleges” alapszín pontos helyének megválasztása önkényes és esetleges. A köztes „másodlagos”, „harmadlagos” stb. színek figyelembevételével húsz, harminc vagy akármennyi „alapszín” megadható lenne. Ezek láthatósága attól függ, hogy milyen közelről szemléljük a spektrumot.

A másik gond, hogy a bíbor színek – amelyek ugyan nem spektrumszínek, de a két szélső spektrumszín, a vörös és az ibolya keverékei, és a zárt színdiagram folytonosságához szükségesek – nincsenek rajta a színkörön. Igaz, Newton az Opticks-ban utal rá, hogy az OD szakasz közelében, a vörös és az ibolya között vannak a bíbor keverékek, és később egy ilyen színkört is felrajzolt.

A kezdettől fogva kulcsfontosságú színkeverés kérdéseire Newton színelmélete csak részben adott választ. Kísérleteiben fényeket kevert, és (helyesen) azt állította, hogy a festékekről, színezékekről külön-külön visszavert fények keverése ugyanazokat az elveket követi, mint a napfény összetevőinek keverése. Csakhogy ez nem ad választ arra a kérdésre, hogy milyen színű lesz a festékek keveréke. Lényegében tehát nem különböztette meg az összeadó (additív) és a kivonó (szubtraktív) színkeverést, ill. nem adott kielégítő magyarázatot az utóbbira.

Érdemes még megjegyeznünk, hogy Newton a színes fénysugarakat, kora szemléletével összhangban, az “éter” rezgése nyomán keletkező részecskékből álló sugaraknak tekintette (szemben Huygens hullámelméletével), amelyek rezgésbe hozzák a szem fényérzékelő receptorait. Ugyanakkor a korszellemet és fizikusi mivoltát meghaladó zseniális felismerésnek mondhatjuk, hogy a színeket – lényegüket illetően – érzeteknek, ill. észleleteknek tekintette. Ezt kétséget kizáróan bizonyítja az Opticks c. könyvében tett utalás:

„Helyesen mondva, a fénysugarak valójában nem színesek. Semmi más, csak bizonyos erő és képesség van bennük, hogy ennek vagy annak a színnek az érzetét létrehozzák.”

Newton ezzel a mondatával – fizikusi mivoltán túllépve – pontosan azt mondja, amit ma is gondolunk a fényről és színről, azaz a fény és a színek fizikai ingerek hatására keletkező érzetek.

Összességében Newton fizikai megközelítése egyfelől hatalmas áttörést és módszertani kiindulópontot jelentett a színek vizsgálatában. Másfelől a tévedései – a tekintélytisztelettel felerősítve – a későbbiekben sok félreértésre adtak okot, és késleltették azoknak a megfigyeléseknek a helyes magyarázatát, amelyek éppen a színek nem fizikai természetéből, azaz a színérzékelés sajátosságaiból fakadnak.

colorlove

Ajánlott források:

http://strangebeautiful.com/other-texts/newton-opticks-4ed.pdf

http://www.huevaluechroma.com/071.php#Newton_s_hue_system

http://winlab.rutgers.edu/~trappe/Courses/ImageVideoS06/MollonColorScience.pdf

Legyen Ön az első hozzászóló

Várjuk hozzászólását!

Az Ön email címe nem kerül nyilvánosságra.


*


Ez az oldal az Akismet szolgáltatást használja a spam csökkentésére. Ismerje meg a hozzászólás adatainak feldolgozását .