Autor: Michał Packi, Centrum Nauki EXPERYMENT w Gdyni
Podczas jesiennego spaceru Trójmiasto oczarowuje niezwykłą feerią barw. Liście na drzewach zmieniają kolory – zielony ustępuje miejsca żółtemu, pomarańczowemu i czerwonemu. Kompozycje stworzone z kolorowych koron drzew wyglądają niczym płótna impresjonistycznego mistrza. Dla naukowców barwy są równie fascynujące, jak dla artystów. Warto zastanowić się zatem, dlaczego otaczający nas świat jest taki kolorowy.
Historia światła
Natura światła przez długi czas była kwestią sporną, poruszaną wielokrotnie przez najznakomitszych myślicieli. Nienamacalność promieni świetlnych tym bardziej potęgowała jego tajemnicę. Niemal do końca XVII w. fizycy traktowali je jak strumień cząstek. Z biegiem czasu odkryto zjawiska przemawiające za jego falową naturą. Dziś, po wielu latach badań, mówimy o dualizmie korpuskularno–falowym. Pod tym skomplikowanym pojęciem kryje się stwierdzenie, że światło zachowuje się czasem jak fala, a czasem jak strumień cząstek. Światło jest falą elektromagnetyczną – podobnie jak fale radiowe, mikrofale czy promieniowanie rentgenowskie, które różnią się długością. Fale radiowe mogą mieć długość setek kilometrów, mikrofale centymetrów, a światło widzialne zawiera się w przedziale 380–780 nanometrów. Jeden nanometr oznacza 0,000000001 metra. Promieniowanie ultrafioletowe, rentgenowskie czy gamma jest jeszcze mniejsze.
Dlaczego przy rozmowie o kolorach należy wspomnieć o świetle?
Otóż światło białe złożone jest z pojedynczych barw prostych. Dobrze nam znana tęcza jest tego najlepszym przykładem – kolorowy łuk na niebie powstaje, gdy światło rozszczepia się na kropelkach wody w powietrzu. Każda barwa prosta jest falą elektromagnetyczną o konkretnej długości fali. W ten sposób czerwień jest falą dłuższą (635-770 nm) od fioletu (380-430 nm). Zatem bez światła nie ma kolorów. Dlaczego jednak rzeczy mają swoje kolory?
Dlaczego liść jest zielony, a papier biały?
Większość obiektów nie świeci samoistnie, a jedynie odbija światło. Gdy białe światło pada na jakiś obiekt, pochłania on część promieniowania, a część odbija. Widzimy kolor zielony, ponieważ do naszych oczu dociera odbita fala elektromagnetyczna o odpowiedniej długości. Cała reszta promieniowania zostaje pochłonięta przez dany obiekt. Kolor biały odpowiada całkowitemu odbiciu wszystkich fal. Czarny oznacza całkowite ich pochłonięcie.
Niesamowite oczy
Aby zrozumieć, czemu postrzegamy falę elektromagnetyczną jako kolor, musimy skupić się na budowie naszego oka. Znajdują się w nim receptory światłoczułe: czopki i pręciki. Pręciki odpowiadają za postrzeganie kształtów i ruchów. Są bardzo czułe na światło i mogą zarejestrować nawet pojedynczy foton. Czarno–białe widzenie nazywane jest widzeniem skotopowym. Czopki umożliwiają widzenie fotopowe, czyli umożliwiają dostrzeganie barw przy dobrym świetle. Ludzkie oko zawiera trzy rodzaje czopków. Każdy z nich ma inną charakterystykę i reaguje na inne długości fali – odpowiadające kolorom czerwonym, niebieskim i zielonym. To właśnie z tych trzech kolorów zbudowane są wszystkie barwy, które widzimy. W świecie zwierząt liczba rodzajów koloroczułych komórek w oku może być większa. Niektóre zwierzęta mają aż pięć rodzajów czopków – oznacza to, że widzą niewyobrażalne dla nas odcienie, także te spoza widzialnego dla nas spektrum.
Niektórzy ludzie mogą widzieć więcej barw niż pozostali. Zależy to oczywiście od liczby czopków znajdujących się w oku. Bardzo rzadko występuje mutacja dodająca dodatkowy rodzaj czopków. Pozwala to na widzenie tetrachromatyczne zamiast trichromatycznego jak u zwykłych ludzi. Ponieważ geny odpowiedzialne za komórki koloroczułe znajdują się na chromosomie X, to właśnie kobiety lepiej rozróżniają barwy.
Kolor, który widzimy, jest jedynie naszym subiektywnym odczuciem. Możemy zmierzyć konkretne długości fali świetlnej, ale kolor, który widzimy, jest jedynie interpretacją bodźców dokonywaną przez nasz mózg. Niemożliwe jest porównanie odczuć, dlatego nie sposób się przekonać, czy moja interpretacja koloru czerwonego nie jest interpretacją koloru żółtego kogoś innego.
149 600 000 km do przebycia
Co takiego dzieje się w momencie, gdy spoglądamy na kolorowe liście podczas jesiennego spaceru? Fotony powstałe w Słońcu jako wynik reakcji termojądrowych, po pokonaniu 149 600 000 km kosmosu, padają na liść. W związku z jesienią zanika produkcja chlorofilu i uwidaczniają się inne barwniki, m.in. karoten, ksantofil – odpowiadające za kolor pomarańczowy i żółty, i antocyjany, które malują liście na czerwono. Każdy z tych związków chemicznych odbija fale elektromagnetyczne o określonej długości, pochłaniając resztę promieniowania. To odbite promieniowanie trafia na specjalne komórki, znajdujące się na dnie oka. Przesyłają one informacje do mózgu o ilości koloru czerwonego, niebieskiego i zielonego. Na koniec nasz mózg interpretuje te dane, tworząc odczucie widzianego przez nas koloru.
Warto sobie uzmysłowić, jak bardzo skomplikowanym zjawiskiem jest coś tak oczywistego, jak kolor. Dzięki zrozumieniu zasad fizycznych, chemicznych i biologicznych, oddziałujących na nasz świat, możemy jeszcze bardziej docenić piękne widoki w kolorowe, jesienne dni.
