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2012-2013 © Giulio Peruzzi
Master in COMUNICAZIONE DELLE SCIENZEPadova, 15 febbraio 2013
Luce e coloreDa Galileo a Maxwell
Giulio PeruzziDipartimento di Fisica e Astronomia
Università di [email protected]
Dall’antichità e fino almeno al Rinascimento il colore erasubordinato alla luce, cioè l’aspetto cromatico venivasubordinato a quello ottico.
Per Aristotele (384-322 a.C.) la chiarezza e l’oscuritàdell’aria vengono assimilate all’essere bianco e all’esserenero dei corpi; il bianco e il nero sono colori, e anzi sono lamatrice di tutti i colori che risultano da una combinazione dibianco e nero in diverse proporzioni.
Non è un caso che a lungo i colori sono stati pensati eclassificati secondo un criterio acromatico, quello dellachiarezza (o brillanza): seguendo un asse dal bianco alnero, il giallo è considerato come il colore più luminoso.
Una prima significativa svolta si ha agli albori della scienzamoderna.
Prima svolta
L’introduzionegalileiana delladistinzione traqualità primarie(oggettive) equalità secondarie(soggettive).
Per tanto io vi dico che ben sento tirarmi dalla necessità, subito
che concepisco una materia o sostanza corporea, a concepire
insieme
ch’ella è terminata e figurata di questa o di quella figura,
ch’ella in relazione ad altre è grande o piccola,
ch’ella è in questo o quel luogo, in questo o quel tempo,
ch’ella si muove o sta ferma,
ch’ella tocca o non tocca un altro corpo,
ch’ella è una, poche o molte,
né per veruna imaginazione posso separarla da queste
condizioni; ma ch’ella debba esser bianca o rossa, amara o
dolce, sonora o muta, di grato o ingrato odore, non sento farmi
forza alla mente di doverla apprendere da cotali condizioni
necessariamente accompagnata: anzi se i sensi non ci fussero
scorta, forse il discorso o l’immaginazione per sé stessa non
v’arriverebbe già mai.
Per lo che vo io pensando che questi sapori, odori, colori
etc., per la parte del suggetto nel qual ci par che riseggano,
non sieno altro che puri nomi, ma tengano solamente lor
residenza nel corpo sensitivo, sì che rimosso l’animale,
siano levate e annichilate tutte queste qualità [...]
Ma che ne’ corpi esterni, per eccitare in noi i sapori, gli odori
e i suoni, si richiegga altro che grandezze, figure, moltitudini
e movimenti tardi o veloci, io non lo credo; e stimo che, tolti
via le orecchie le lingue e i nasi, restino bene le figure i
numeri e i moti, ma non già gli odori né i sapori né i suoni, li
quali fuor dall’animale vivente non credo che sieno altro che
nomi, come a punto altro che nome non è il solletico e la
titillazione, rimosse l’ascelle e la pelle intorno al naso.
[Il Saggiatore (1623), Opere, vol. VI, pp. 347-50]
La dottrina delle qualità primarie (oggettive) esecondarie (soggettive) serve anche a interpretare lequalità secondarie.
“Tutte le qualità chiamate sensibili - scrive Hobbes -
sono, nell’oggetto che le determina, i vari moti della
materia, mediante i quali essa influenza diversamente i
nostri organi”.
Quindi anche le qualità secondarie sono meccanizzatecon riferimento all’oggetto che le determina. Quello chenoi registriamo con i nostri sensi è una “immaginazione
causata dal moto esercitato dalle cose esterne sopra i
nostri occhi, orecchi e altri organi analoghi”.
[Leviathan, tr. it., pp. 47-50]
In tal modo si elimina dalla visione scientificadel mondo ogni antropocentrismo e, inoltre, si ècondotti ad allargare il metodo caratteristicodella filosofia meccanica dal mondo deifenomeni naturali al mondo dei fenomenifisiologici e psicologici.
Fisiologia e psicologia tendono a diventarescienze naturali alle quali applicare gli stessimetodi e le stesse teorie della filosofia naturale.
La seconda svolta viene operata daNewton la cui teoria della luce mutaprofondamente il rapporto tra luce ecolore. Secondo Newton la luce biancanon è omogenea ma eterogenea, cioècomposta da “raggi” colorati dotati diangoli di rifrazione diversi.
Nel corso del Seicento molti erano stati i contributi nelsettore ai quali Newton fa riferimento. Tra questiricordiamo Cartesio, Boyle, Hooke che però a differenzadi Newton pensavano al colore come a una qualitàderivata dalla modificazione della luce bianca ininterazione con la materia.
Newton invece pensa ai colori come componenti eternedella luce (come gli atomi per la materia).
Per Cartesio, peresempio, i colori sononell’etere, prodotti dalparticolare modo in cuiruotano le particelled’etere a contatto conla materia.
Da Il mondo o trattato sulla
luce, la cui stesura era stataterminata presumibilmente nel1633 ma la cui pubblicazioneavvenne solo nel 1662, a causadella condanna di Galileo.
“i colori spettrali non possono manifestarsi senza lapresenza di un bordo scuro: un’ombra o un contornoalla luce è necessario”[da Alfred Rupert Hall, All Was Light. An Introduction to Newton’s
Opticks, Clarendon Press, Oxford 1993, pp. 9 e ss.]
Elementi principalidella teoria deicolori di Hooke:
1. luce come motonell’etere;
2. i colori nella luceappaiono dalladistorsione dellaluce bianca informe simmetricheo polari.
[Ibidem, pp. 18 e ss.]
Isaac Newton (1642 - 1727)
Ma cosa sono i colori, o i raggi colorati checompongono la luce bianca?
La teoria di Newton interpretava - almeno in primabattuta - i raggi di luce come fasci di particelle, mentrenegli stessi anni Christiaan Huygens proponeva unainterpretazione ondulatoria della luce.
Tuttavia si deve a Newton enon a Huygens l’idea che i varicolori emergano dalle diversesensazioni stimolate dallediverse lunghezze d’onda deiraggi: i flussi di particelle didiversi colori sono modulate daperturbazioni periodichedell’etere (fit).
Un confronto tra la teoria della luce di Newton (Opticks del 1704) equella di Huygens (Traité de la lumière del 1690).
Le questioni dell’Opticks [1704 - 1706(latino) - 1717 - 1721 - 1730]
Questione 1. I corpi non agiscono a distanza sulla luce, e per effetto dellaloro azione non incurvano i raggi di essa; e questa azione non è (a paritàdi altre cose) massimamente forte alla minima distanza?
Questione 5. I corpi e la luce non agiscono mutuamente uno sull’altro;cioè a dire, i corpi sulla luce durante l’emissione, la riflessione, larifrazione e l’inflessione di essa, e la luce sui corpi al fine di riscaldarli e dimettere le parti di essi in un moto vibratorio in cui consiste il calore?
Questione 6. I corpi neri non sono riscaldati dalla luce più facilmente diquelli di altri colori, per il fatto che cadendo la luce su essi non vieneriflessa all’esterno, ma al contrario penetra nei corpi ed è sovente riflessae rifratta al loro interno, finché viene soffocata e perduta?
Questione 13. I diversi tipi di raggi non producono vibrazioni di diversegrandezze, le quali a seconda della loro grandezza eccitano sensazioni didiversi colori, in maniera pressoché analoga a quella delle vibrazionidell’aria, le quali a seconda delle loro diverse grandezze eccitano lesensazioni dei diversi suoni? […] (cf. anche la 27, 28, 29)
Questioni dibattute nel corso del Settecento
• La luce è formata da onde o da corpuscoli?
• I colori sono qualità oggettive (primarie) dellecomponenti della luce o frutto della nostra modalitàpercettiva?
• I colori osservati nello spettro della luce solare che sisommano nella luce bianca in che modo si possonomettere in relazione con i colori dei corpi e con quelliche i pittori ottengono mescolando pigmenti diversi?
• I colori fondamentali sono davvero sette comesostenuto dai newtoniani?
Tra la fine delSettecento e i primidecenni dell’Ottocentoil dibattito sui colori esulla loro percezioneappassionò in misuracrescente non solo gliscienziati, ma anchegli artisti (comeTurner) e i letterati(come Goethe).
William Turner, Struttura cromatica, 1819
Philipp Otto Runge(1777-1810), Sfera
dei colori, 1810
Goethe, Disco dei
colori, 1810
Terza svolta
Non è un caso quindi che proprio in quegli stessianni venga elaborata la moderna teoria del colore,il cui punto di partenza è costituito dalla propostadella teoria dei tre recettori che Thomas Young(1773-1829) presenta alla Royal Society di Londranel 1801, circa un secolo dopo l’Optiks di Newton.
Ma la teoria di Young trova inizialmente non pocheresistenze nell’ambiente scientifico britannico, cheè fortemente influenzato dai dettami dellatradizione newtoniana.
Young, infatti, inserisce la teoria della visioneall'interno della sua più generale teoria ondulatoriadella luce che si oppone alla teoria corpuscolaredella luce.
Inoltre, sempre in quegli anni, la questione delmescolamento dei colori risulta controversa anchea causa di una certa confusione tra “costituzioneottica” (evidenziata dall’analisi spettrale) e“proprietà cromatiche” (percettive) della luce, percui molti continuano a pensare, richiamandosiall'Opticks di Newton, che lo spettro ottenuto dallascomposizione della luce bianca attraverso unprisma contenga sette colori primari e non tre.
La teoria di Young verrà sviluppata a partire dai primi anniCinquanta dell’Ottocento da James Clerk Maxwell (1831-1879), Hermann von Helmholtz (1821-1894) e HermannGrassmann (1807-1877).
Esiti:
– Definitiva conferma della teoria dei tre recettori.
– Chiarificazione delle proprietà del mescolamento deicolori (additive per i colori spettrali e sottrattive per icolori dei pigmenti).
– Colorimetria.
– Prime analisi quantitative della sensibilità dei recettori(coni) alle diverse frequenze e spiegazione della cecitàda colore (a partire dal daltonismo).
– Elaborazione della teoria fisica della luce (teoria delcampo elettromagnetico).
A Edimburgo intorno agli anni 1840un folto gruppo di scienziati sioccupa di colori: James DavidForbes (professore di filosofianaturale), David Ramsey Hay(pittore piuttosto noto a Edimburgoe autore di First Principle of
Symmetrical Beauty eNomenclature of colours), GeorgeWilson (chimico e studioso deidifetti della percezione dei colori),William Swan (fisico che svolgericerche sull’occhio umano), DavidBrewster (fisico, esperto di otticasperimentale, convintonewtoniano).
È da questo ambiente fortementeinterdisciplinare che Maxwellprende le mosse a partire dal 1849per le sue ricerche sui colori.
Il primo obiettivo di Maxwell eForbes è quello di riuscire adottenere un’espressionequantitativa soddisfacente dellacombinazione dei colori.
Come Forbes ha già inprecedenza osservato, se siutilizzano tre dischi con i coloridella “triade dei colori dei pittori”(rosso, giallo e blu), comunque siaggiusti l’ampiezza dei settori, ilcolore risultante non è un coloreneutro (grigio) ma una sfumaturadel rosso. Vengono quindi scelticome colori primari il rossovermiglio (V = vermilion),l’azzurro oltremare (U =ultramarine) e il verde smeraldo(EG = emerald green).
Dopo aver posto i dischi di questi tre colori [V, U e EG]
sul piatto circolare del rotatore e i dischi più piccoli di
bianco [SW = snow white] e nero [Bk = Ivory Black]
sopra ad essi, l’operatore deve mettere in rotazione il
piatto e domandare l’opinione dell'osservatore riguardo
alla relazione tra l’anello esterno e il cerchio interno.
Gli verrà detto, a seconda dei casi, che il cerchio
esterno è troppo rosso, troppo blu, o troppo verde, e
quello interno è troppo chiaro o troppo scuro rispetto a
quello esterno.
Si procederà quindi a successivi aggiustamenti in modo
da rendere il colore risultante del cerchio esterno il più
vicino possibile a quello interno. [...]
Una volta fatti questi aggiustamenti i colori risultanti del
cerchio esterno e di quello interno dovrebbero essere
perfettamente indistinguibili quando il piatto ha una
velocità di rotazione sufficiente.
Il numero di divisioni spaziate dai diversi settori circolari
colorati deve allora essere letto sul bordo del piatto e
espresso nella forma di una equazione. I numeri ottenuti
da un esperimento con i colori sopra citati eseguito il 6
marzo 1855 alla luce del giorno, senza sole, sono:
0.37 V + 0.27 U + 0.36 EG = 0.28 SW + 0.72 Bk
[Maxwell, Experiments on colour, as perceived by the eye, 1855]
“La natura del colore può essere considerata come
dipendente da tre cose, come, per esempio
[nell’esperienza del trottola sopra riportata], la ‘rossità’
la ‘bluità’ e la ‘verdità’”.
Ma vi è anche un altro modo per mostrare ladipendenza del colore da tre variabili, ed è quello -seguito da Grassmann - di distinguere i coloriattraverso il colore spettrale, il grado di saturazione ela tonalità.
Questi due diversi sistemi di descrivere le variabili chedefiniscono il colore “possono essere dedotti l’uno
dall’altro” e le loro mutue relazioni possono essereespresse in modo “numerico esatto”.
Su questa base allora, secondoMaxwell, il modo migliore dirappresentare i colori sarebbequello di utilizzare i punti di unospazio tridimensionale le cuicoordinate siano proporzionali aitre elementi del colore.
“Ma poiché un metodo in cui le
operazioni sono limitate a uno
spazio bidimensionale è
preferibile a quello che richiede
spazi tridimensionali, si
considererà per il momento solo
quello che per convenienza è
stato adottato, fondato sul
cerchio dei colori di Newton e sul
triangolo di Mayer e Young” (eLambert).
“Newton divide la
circonferenza del cerchio in
parti proporzionali ai sette
intervalli musicali, ...”
[L’ampiezza degli archicircolari è proporzionale allesette note musicali ointervalli delle otto note sol,
la, fa, sol, la, mi, fa, sol
contenuti in un’ottava, 1/9,1/16, 1/10, 1/9, 1/10, 1/16,1/9, cui corrispondonoapprossimativamente archidi 60, 34, 56, 60, 56, 34, 60gradi]
60
34 56
60
60
34
56
“Newton divide la circonferenza del cerchio in parti
proporzionali ai sette intervalli musicali, in accordo con
la sua opinione della divisione dello spettro.
Concepisce poi i colori dello spettro disposti intorno al
cerchio, e nel centro di gravità di ognuno dei sette archi
pone un cerchietto, la cui area rappresenta il numero di
raggi del colore corrispondente che entrano in una dato
colore composto.
Prende quindi il centro di gravità di tutti questi cerchi
come il punto che rappresenta il colore formato da una
data mescolanza di colori. [...]
Newton, tramite questa costruzione (della quale non
fornisce spiegazione), mostra chiaramente di aver
considerato possibile trovare un punto nel cerchio
corrispondente a ogni possibile colore”.
Una costruzione analoga può spiegare larappresentazione tramite il diagramma triangolare:
“il rosso vermiglio, il blu oltremare e il verde
smeraldo, presi (per convenzione) come colori
primari, sono concepiti essere rappresentati da tre
punti, presi (per convenzione) ai tre vertici di un
triangolo equilatero.
Ogni colore composto di questi tre deve essere
rappresentato da un punto la cui posizione si ricava
ponendo delle masse proporzionali alle diverse
componenti del colore collocate nei rispettivi vertici
e calcolando il centro di gravità delle tre masse”.
Maxwell dimostra quindi come le rispettiverappresentazioni, la circolare e la triangolare,possano essere tradotte l’una nell’altra, per cui isette colori fondamentali indicati da Newtonrisultano di fatto sovrabbondanti rispetto allevariabili da cui dipende la percezione dei colori.
In conclusione, “la relazione tra i due metodi per
ridurre a tre gli elementi del colore diventa
materia della geometria”.
Ricavate le leggi fondamentali dellacomposizione dei colori, Maxwell nediscute le conseguenze nell’ambitodella teoria della percezione. Il fattoche la composizione dei coloridipenda da tre variabili non puòessere giustificato dalla teoria dellaluce, quindi la sua causa deveessere ricercata nella costituzionedell’occhio nel quale devono trovarsitre diversi recettori del colore.
In mancanza di dati certi sulfunzionamento dei singoli recettori,Maxwell fa uso dei risultati indirettiche provengono dagli studi susoggetti affetti da anomalapercezione del colore.
Ogni recettore viene stimolato più omeno dalle radiazioni luminose, conuna predisposizione maggiore allefrequenze di una certa regione dellospettro, ma non per questo risultandoinsensibile alle altre frequenze.
Che cosa vedono i daltonici?(a) Copia di Ta Matété di
Paul Gauguin di soggettonormale.
(b) Copia di daltonicosecondo i colori“percepiti”: i colori caldisono resi col giallo sechiari e col marrone sescuri; quelli freddi sonoresi in blu. Il rosso e ilblu-verde sono percepiticome acromatici e resicon gradazioni di grigio.
(c) Copia di daltonico che hautilizzato i colori“confusi”, cioè quelli chesono equivalenti secondoil disco di destra: rosso eblu-verde, arancione everde.
La descrizione di Dalton della sua anomalia visiva compare nel1794, pochi anni dopo Goethe realizza un acquarello tenendoconto delle indicazioni di un daltonico. Nei pittori daltonici laconfusione tra blu e rosso porpora porta a rappresentare il cielocon un aspetto rosato crepuscolare, mentre la confusione traverde e giallo dà al fogliame un aspetto autunnale.
Nel pastello Il vascello fantasma di Charles Meryon (1821-1868)dominano il giallo e il blu. Scoperta questa sua anomaliacromatica, Meryon abbandonò la pittura e si dedicò all’incisionearte in cui divenne un vero maestro.
A partire dal 1852 leesperienze con il disco deicolori sono affiancate daaltre esperienze checonducono Maxwell allacostruzione della cosiddetta“scatola dei colori”, undispositivo che Maxwell haideato - sfruttando idee cherisalgono a Newton - dietrosuggerimento di Forbes.
Forbes infatti ritieneimportante eliminareeventuali influenze delmovimento rotatorio deldisco dei colori sullapercezione della mescolanzadei colori.
Vedere è vedere a colori, perché è soltanto mediante
l'osservazione delle differenze di colore che distinguiamo le forme
degli oggetti. E quando parlo di differenze di colore intendo
includere anche le differenze di lucentezza e ombra. Fu proprio
alla Royal Institution, circa all'inizio del secolo, che Thomas Young
fece il primo chiaro riferimento a quella dottrina della visione dei
colori che mi propongo di illustrare. L’enunciazione di Young può
essere sintetizzata nella seguente proposizione: noi siamo capaci
di percepire tre diverse sensazioni di colore. I diversi tipi di luce
eccitano in proporzioni diverse queste sensazioni, ed è tramite le
diverse combinazioni di queste tre sensazioni primarie che tutta la
varietà di colore visibile viene riprodotta. In questa proposizione c'è
una parola su cui dobbiamo fissare l'attenzione. Questa parola è
Sensazione. Può sembrare un truismo dire che il colore è
sensazione; eppure Young, riconoscendo onestamente questa
verità elementare, stabiliva la prima teoria consistente del colore.
Per quel che ne so, Thomas Young è stato il primo che, partendo
dal fatto ben noto che esistono tre colori primari, ricercò la
spiegazione di questo fatto, non nella natura della luce, ma nella
costituzione dell'uomo.
Maxwell, On Colour Vision, 1871
Se la sensazione che chiamiamo colore - prosegueMaxwell - obbedisce a un qualche insieme di leggi, ci
deve essere qualcosa nella nostra specifica natura che
determina la forma di queste leggi […]. La scienza dei
colori deve perciò essere considerata essenzialmente
come una scienza della mente. […] L’evidenza che essa è
una scienza della mente si ricava dalle numerose
illustrazioni che fornisce alle varie operazioni della mente.
Riferendosi all’erronea convinzione che la luce blu equella gialla mescolandosi diano luogo al verde, Maxwellafferma: “è una sorprendente illustrazione dei nostri
processi mentali che molte persone siano non solo
arrivate a credere, sulla base dell’evidenza della
mescolanza dei pigmenti, che il blu e il giallo diano il
verde, ma che esse si siano anche persuase di poter
discernere le sensazioni separate dell’‘azzurrità’ e della
‘giallità’ nella sensazione del verde”.
La nuova teoria dei colori, in ispecie dopo la pubblicazione dei tre volumidel Manuale di Ottica Fisiologica di Helmholtz (1856-1867), ebbe notevoliripercussioni nel mondo dell’arte (cf. per es. Monet, Renoir, Ruskin,Seurat).
Claude Monet,Gerbe, 1891
Come scrive il poetaJules Laforgue aproposito degliimpressionisti “dove
l’Accademia non vede
altro che luce bianca
allo stato espanso,
l’impressionista la vede
come se impregnasse
tutto, non di morto
biancore, ma di mille
vibranti combattimenti,
di ricche scomposizioni
prismatiche”.
Per concludere alcune applicazioni e …
- Fotografia a colori (da cui poi anche il Cinema).
- Studio degli spazi dei colori (RGB, additivo perschermi, CMYK, sottrattivo, per i processi di stampa).
- Nascita della chemioterapia (“la distruzione diorganismi patogeni nel malato per mezzo di compostichimici” - Paul Ehrlich, 1854-1915) dalle ricerche suicoloranti sintetici: dai coloranti istologici cheselezionano cellule con i coloranti, all’idea di cercareagenti battericidi nella famiglia dei composti coloranti(tra i primi il blu di metilene contro la malaria), fino aisulfamidici (i farmaci più efficaci prima dell’arrivodegli antibiotici).
