Изучение цветового зрения имеет бурную историю. Вокруг проблем разгорались страсти. Выдвигались самые различные теории, которые никогда полностью не забывались; однако, когда все будет сказано, весьма вероятно, что, по существу, правильными окажутся самые первоначальные теории.
Начало исследованию цветового зрения положила известная работа Ньютона «Оптика». Название этой книги полностью соответствует ее содержанию; возможно, поэтому данный научный труд того времени стоит прочесть и в наши дни. «Оптика» написана в Тринити-Колледже в Кембридже, в комнатах, которые существуют и поныне и в которых все еще живут. В этих комнатах проводились классические эксперименты, так же как и менее успешные ньютоновские опыты по превращению простых металлов в золото. В феврале 1692 года, после того как его эксперименты со светом были завершены и книга почти полностью написана, рукопись и все его заметки сгорели от пламени свечи в то время, когда он был в церкви. Ньютон, как писали его современники, был, разумеется, очень расстроен. Только в 1704 году он восстановил и опубликовал эту работу — она была его последней книгой, вместо того чтобы быть первой. При жизни Ньютона книга выходила еще в трех изданиях (в 1717, 1721 и 1730 годах), каждое из которых содержало добавления, особенно знаменитые «Вопросы», в которых излагаются некоторые из его выдающихся гипотез о природе физического мира.
Ньютон показал, что белый свет состоит из всех цветов спектра; по мере развития волновой теории света стало ясно, что каждому цвету соответствует определенная частота световой волны. Весьма важным является вопрос о том, что частота излучения в видимой части спектра весьма велика — значительно больше, чем та частота, которую могут непосредственно воспроизвести нервные элементы. Фактически наивысшее число импульсов, которое могут передавать нервы, значительно ниже 1000 в секунду, в то время как частота света составляет миллион миллионов колебаний в секунду. Проблема состоит в том, каким образом частота света кодируется медленно действующей нервной системой.
Первый, кто пытался разрешить эту проблему, был Томас Юнг1. Он выдвинул теорию, развитую в дальнейшем Гельмгольцем, чьи работы в этом направлении остаются лучшими из всех, которые мы знаем. Вклад Юнга в разрешение этой проблемы был оценен Клерком Максвеллом следующим образом:
«По-видимому, почти банально заявление, что цвет — это ощущение, и все же Юнг, самым искренним образом признающий эту элементарную истину, разработал первую содержательную теорию цвета. Насколько мне известно, Томас Юнг был первым, кто, исходя из хорошо известного факта существования трех первичных цветов, искал объяснение этому факту не в природе света, а в конструкции человека».
Если существуют рецепторы, чувствительные к каждому отдельному цвету, тогда их было бы по крайней мере 200 различных типов. Однако это невозможно по той простой причине, что мы видим почти так же хорошо в окрашенном свете, как и в белом. Число действующих рецепторов не может, таким образом, очень сильно сокращаться при монохроматическом свете, следовательно, не может существовать более чем несколько типов цветочувствительных рецепторов. Юнг ясно выразил это. В 1801 году он писал:
«В настоящее время, когда почти невозможно представить себе, что каждая чувствительная точка сетчатки содержит бесчисленное множество составных частиц, способных вибрировать в унисон с каждым возможным световым колебанием, мы приходим с необходимостью к предположению о существовании ограниченного числа рецепторов сетчатки, воспринимающих, например, такие основные цвета, как красный, желтый и синий...»
В работах, написанных позже, он настаивал, что число «основных цветов» равно трем, однако заменил красный, желтый и синий на красный, зеленый и фиолетовый.
Теперь мы переходим к существу проблемы: каким образом воспринимаются все цвета с помощью небольшого числа рецепторов? Был ли Юнг прав, предполагая, что их только три? Можно ли определить, какие именно цвета являются «основными»?
Возможность того, что вся гамма цветов может быть получена из нескольких «основных» цветов, доказывается единственным важным наблюдением — цвета можно смешивать. Это может показаться очевидным, однако фактически в глазу эти процессы смешения происходят совсем иначе, чем в ухе. Два звука нельзя смешать так, чтобы получить отличный от них третий звук, но два цвета дают третий, в котором эти составные части уже не видны. Составные звуки слышны как аккорд и могут быть выделены порознь, во всяком случае музыкантом, чего нельзя сделать в отношении света.
Употребляя термин «смешение цветов», мы должны иметь ясное представление о том, что имеется в виду. Чтобы получить зеленый цвет, художник смешивает, желтый и синий, но он смешивает не отдельные световые лучи, определенной частоты, а весь спектр цветов, минус те цвета, которые поглощаются пигментом его глаз. Это так сложно, что мы не будем касаться вопроса о пигменте и рассмотрим только те световые лучи, которые остаются после прохождения через цветовой фильтр или создаются с помощью призмы (или интерференционной решетки).
Желтый цвет мы видим при комбинации красных и зеленых световых лучей. Юнг предполагал, что желтый цвет мы видим всегда при смешивании в определенных пропорциях красного и зеленого и что не существует специального типа рецепторов, чувствительных к желтым световым лучам, а имеется скорее два типа рецепторов, чувствительных соответственно к красным и зеленым лучам, совместная работа которых и дает ощущение желтого цвета.
Фактически понимание сущности желтого цвета представляет собой основной пункт разногласий между представителями различных теорий цвета. Является ли восприятие желтого цвета результатом совместной деятельности красно/зеленой систем рецепторов или оно первично, в пользу чего говорит простота ощущения, которое он вызывает? Хотя довод о том, что желтый цвет кажется простым по ощущению — он не похож на смесь,— и был выдвинут против Юнга, он не обоснован. Дело в том, что если смешать красные и зеленые световые лучи (при проекции этих лучей на экран), мы видим желтый цвет, и это ощущение неотличимо от того, которое возникает при монохроматическом свете желтой части спектра. Безусловно, что в этом примере простота ощущения не дает нам основания заключить о простоте нервных процессов, лежащих в основе этого ощущения; очевидно, это справедливо вообще применительно ко всем видам ощущений и восприятий.
Юнг остановился на трех «основных» цветах по очень простой причине. Он обнаружил, что можно создать любой цвет, видимый в спектре (в том числе и белый), путем смешивания трех, но не менее чем трех световых лучей, подбирая соответствующую интенсивность света. Он установил также, что диапазон пригодных для этого длин волн довольно широк, и это и составляет ту трудность, с которой мы сталкиваемся при решении вопроса, каковы же первичные цвета. Если бы только три определенных цвета давали при смешивании всю гамму оттенков спектра, мы могли бы сказать с некоторой уверенностью, что именно они-то и соответствуют основным цветовым системам глаза, однако нет единого набора из световых лучей трех длин волн, который бы удовлетворял этим условиям.
Опыт Юнга очень красив. На рис. 1 (см. цветную вклейку) изображена схема этого опыта.
Рис. 1. Иллюстрация к опыту Юнга по объединению световых лучей трех "основных" цветов.
Итак, согласно теории Юнга — Гельмгольца, существует три типа цветочувствительных рецепторов (колбочек), которые отвечают соответственно на красный, зеленый и синий (или фиолетовый) цвета, а ощущения всех остальных цветов спектра возникают при смешении сигналов этих трех рецепторных систем. Чтобы построить основные кривые чувствительности, надо было проделать большое количество экспериментов, и это оказалось неожиданно трудным делом. Наилучшие из полученных кривых представлены на рис. 2 (см. цветную вклейку).
Посмотрим теперь на следующий график, на решающую для понимания цветового зрения так называемую кривую различения оттенков (рис. 3 на цветной вклейке). Здесь сравнивается длина световой волны с наименьшим различием в восприятии оттенка цвета. Теперь если мы посмотрим на предыдущий график (рис. 2 на цветной вклейке), то увидим, что оттенок цвета будет изменяться очень мало по мере изменения длины световой волны на концах спектра, так как единственное, что происходит при этом, — это постепенное увеличение активности систем, воспринимающих красный и синий цвета, без включения в работу других систем. Иначе говоря, на концах спектра мы увидим при изменении длины световой волны — изменения в яркости, но не в цвете. Вот и все, что при этом происходит. С другой стороны, в середине спектра мы должны ожидать существенных изменений цвета, когда чувствительность системы, ответственной за восприятие красного цвета, быстро падает, а чувствительность системы восприятия зеленого цвета быстро возрастает. Малейший сдвиг в длине световой волны будет вызывать большие изменения в соотношении активности систем, ответственных за восприятие красного и зеленого цвета, что приводит к заметным изменениям оттенка цвета. Таким образом, следует предположить, что вблизи желтого цвета оттенки различаются исключительно хорошо — и так оно и есть на самом деле.
Мы опустим здесь изложение бурных дебатов нашего времени по вопросу о том, существует три, четыре или семь цветовых систем; и примем концепцию Юнга, считавшего, что все цвета являются результатом смешения трех основных цветов. В цветовом зрении существует, однако, гораздо больше проблем, чем это обнаружено в экспериментах с простыми окрашенными пятнами света. В последнее время имели большой успех работы гениального американского изобретателя Эдвина Лэнда. Помимо изобретения поляроида (сделанного им еще и бытность его студентом), превратившегося позже в камеру Лэнда, он показал с помощью изящных опытов, что то, что верно в отношении цвета, получаемого путем смешения простых световых пятен, не исчерпывает всей проблемы восприятия цвета. Когда смешиваемые цветовые пятна более сложны по конфигурации и изображают предметы, происходит нечто странное. То, что показал Лэнд, было известно в общем уже давно, но ему принадлежит заслуга обнаружения дополнительных явлений в цветовом зрении, возникающих в более сложных ситуациях при накладывании друг на друга фотографий и изображений реальных объектов. В самом деле, его работа напоминает нам об опасности упустить само явление из-за упрощения ситуации, которое производится с целью получить чистые эксперименты.
Лэнд, в сущности, повторил опыты Юнга по смещению цветов, используя, однако, не простые световые пятна, а прозрачные фотографические пластинки. Теперь мы можем считать, что все эти опыты с проекцией окрашенных фотографий являются, по существу, продолжением работ Юнга, так как во всех цветных фильмах практически используется только три цвета. Лэнд уменьшил их число до двух и обнаружил, что с помощью только двух цветов получается неожиданное богатство красок. Техника опыта состоит в том, что фотографические негативы с одними и теми же изображениями проецируются через различные цветовые фильтры. Негативные пленки превращаются в позитивные и проецируются через те же фильтры, что и дает на экране наложенные друг на друга изображения. Довольно хорошие результаты получаются, если взять один проектор с красным фильтром, а другой -- без всякого фильтра. Исходя из опыта Юнга, мы не должны были бы ожидать чего-либо от оттенков розового цвета различной насыщенности (полученных с помощью добавления белого цвета); однако в действительности мы получаем зеленый и другие цвета, которых фактически нет. Эти результаты можно было бы предвосхитить, если учесть два хорошо известных факта. Во-первых, вначале в цветных фильмах использовались только два цвета, но все возможности этого метода не были в достаточной мере реализованы. Во-вторых, как мы уже знаем, хотя Юнг и обнаружил, что цвета спектра, включая белый, могут быть получены при смешении трех окрашенных световых лучей, таким способом невозможно получить любой цвет, который доступен нашему восприятию. Например, таким образом нельзя получить коричневый цвет, а также цвета металлов, таких, как серебро или золото. Следовательно, существует нечто сверх трех цветов, не говоря уже о двух.
Рассмотрим обычные цветные фотопластинки, проецируемые на экран. Этот способ дает нам все цвета, которые способен воспринять наш глаз, но он основан только на трех цветовых лучах, открытых Юнгом Цветное кино — не более чем устройство, состоящее из трех цветных фильтров, расположенных на определенном расстоянии друг от друга, но оно дает нам даже коричневый и другие цвета. Юнг не мог их получить с помощью своих трех цветовых лучей. По-видимому, когда три цветовых потока объединяются в сложные структуры и особенно когда они изображают предметы, мы видим большее разнообразие цветов, чем в тех случаях, когда те же самые цветовые потоки предъявляются в виде простых структур, как, например, на рис. 1 (см. цветную вклейку).
Все это означает, что нельзя представлять себе цветовое зрение в виде простой системы: восприятие света обусловлено не только стимуляцией глаза определенной длиной волн и интенсивностью света, но и тем, изображает ли совокупность цветовых пятен предметы; тогда вступают в действие высшие корковые уровни мозговых процессов, исследование которых сопряжено с исключительными трудностями. Коричневый цвет — это сверхнасыщенный желтый (его можно получить путем адаптации глаза к цвету, дополнительному к желтому, с последующей стимуляцией желтым светом); однако в обычных условиях, чтобы воспринять коричневый цвет, требуется контраст, определенная совокупность линий и преимущественная интерпретация освещенной области как поверхности предметов; и все же в обычной жизни коричневый цвет — один из наиболее распространенных. Для глаза белый цвет — это не специальное смешение цветов, а скорее общее освещение, каким бы оно ни было. Так, мы видим свет фар автомобиля белым, когда ведем машину за городом, но в городе, где есть яркий белый свет для сравнения, свет фар кажется нам совсем желтым; то же происходит и со светом свечи или лампы. Это значит, что нам трудно оценить белый цвет, если нет критерия того, что такое белое. Ожидание или предварительное знание обычного цвета предмета очень важно. Вероятно, такие предметы, как апельсины и лимоны, имеют более богатый и естественный цвет, если они узнаются как таковые, однако, разумеется, это не исчерпывает проблему. Лэнд с осторожностью использовал предметы, цвет которых не был известен наблюдателям, как, например, катушки с намотанной пластмассовой проволокой, ткани с рисунком из окрашенной пряжи,— и все же он получил удивившие его результаты.
Каким бы ни было наше окончательное мнение — по этому вопросу существуют различные точки зрения,— ясно, что работа Лэнда выявила существование сложных добавочных мозговых процессов, связанных с обработкой сенсорной информации при организации ощущений в восприятие предметов. Было бы упрощением представлять себе зрение прежде всего как работу глаза и забывать о мозге.
ЦВЕТОВАЯ СЛЕПОТА
Весьма примечательно, что далее распространенная форма нарушения цветового зрения — смешение красного цвета с зеленым — была открыта лишь в XIX столетии, когда химик Джон Дальтон обнаружил, что он не может четко различать некоторые вещества по их цвету, хотя другие люди могли это делать без труда. Причина этого отчасти заключается в том, что мы называем предметы, пользуясь разными критериями. Мы называем траву зеленой, хотя не знаем, одинаково ли ощущение, возникающее при взгляде на траву, у разных людей. Трава — определенный вид растений, растущих на лужайках; ощущение цвета, которое она вызывает, мы все называем «зеленый», но мы узнаем траву не только по цвету, но и по другим признакам — форме листьев, густоте и т. д., и если мы склонны путать цвета, существуют обычно дополнительные признаки, достаточные для того, чтобы определить это растение как траву. Мы знаем, что она должна быть зеленой, и называем ее зеленой, даже если это вызывает сомнение.
Однако, когда химик определяет вещества, случается, (что вещество в бутылке может быть определено только по цвету, и тогда сама способность химика определять и называть цвета должна подвергнуться испытанию. В тестах на цветовое зрение всегда используются изолированные цвета в качестве единственного определяющего предмет признака, и тогда легко обнаружить, обладает ли испытуемый нормальной способностью различать цвета, или он видит единый цвет там, где другие люди видят разные цвета.
Как уже говорилось выше, наиболее распространенным нарушением цветового зрения является неумение различать красное и зеленое. Существует, однако, много других видов нарушений. Смешение красного и зеленого встречается, как ни странно, весьма часто. Приблизительно 10% мужчин имеют этот дефект в довольно яркой форме; у женщин он встречается крайне редко. Менее распространенным является смешение зеленого и синего. Исходя из трех предполагаемых цветовых рецепторных систем, цветовую слепоту подразделяют на три главных вида; раньше их просто называли слепотой на красный, зеленый и синий цвета, но теперь избегают этих названий. У некоторых людей обнаруживается полное отсутствие одного из трех видов колбочковых цветовых систем, их называют теперь протанопы, дейтеранопы и тританопы (что соответствует дефектам первой, второй и третьей цветочувствительных систем), однако это не внесло большей ясности. Для этих людей достаточно смешать только два окрашенных световых потока, чтобы получить все спектральные цвета, доступные их восприятию. Таким образом, результаты работы Юнга по смешению цветов применимы к большинству людей, но не к исключительным случаям цветовой слепоты. Чаще встречается не полное выпадение цветового зрения, а уменьшение чувствительности к некоторым цветам. Эти нарушения обозначают как протанопия, дейтеранопия и тританопия. Последняя форма, тританопия, встречается чрезвычайно редко. Людей, страдающих этими дефектами, характеризуют как имеющих аномальное цветовое зрение. Это означает, что, хотя им требуется три окрашенных световых потока, чтобы получить доступные их восприятию цвета спектра, им нужны иные пропорции этих трех составляющих, чем остальным людям.
Те пропорции, в которых надо смешать красный и зеленый цвета, чтобы получить монохроматический желтый, являются самым важным показателем аномалии цветового зрения. Лорд Рэлей в 1881 году обнаружил, что людям, которые путают красный цвет с зеленым, требуется большая интенсивность красного или зеленого, чтобы они увидели желтый цвет. Для исследования цветового зрения изготовлены специальные инструменты, которые создают монохроматически окрашенное поле, близкое по цвету к полю смешанного красно-зеленого цвета. Соотношение интенсивностей красного и зеленого цвета в смеси можно изменять до тех пор, пока смешанный цвет не будет восприниматься наблюдателем точно таким же, как и монохроматический желтый. Деления шкалы отражают эти пропорции, они-то и служат показателем степени нарушения цветового зрения — степени протанопии или дейтеранопии. Этот инструмент называется аномалоскопом.
Желтый цвет кажется чистым цветом, поэтому принято считать, что существует специальный набор рецепторов, чувствительных к желтому цвету. Однако с помощью аномалоскопа можно довольно просто показать, что желтый цвет фактически всегда возникает при смешении в определенных пропорциях красного и зеленого цветов.
Наблюдатель настраивает аномалоскоп таким образом, чтобы монохроматический и получаемый путем смешивания желтый цвета были идентичны. Затем он смотрит на ярко-красный свет, чтобы глаз адаптировался к красному. После адаптации сетчатки к красному цвету он вновь смотрит в аномалоскоп, и его просят оценить, продолжают ли совпадать те же два поля по цвету. Он будет видеть оба поля зелеными, и они будут одного и того же зеленого цвета. Совпадение полей не нарушается при адаптации к красному цвету, так что наблюдателю не потребуются иные пропорции красного и зеленого цвета в смеси, чтобы получаемый цвет совпал с монохроматическим желтым. Нельзя, следовательно, на основании показаний аномалоскопа сказать, что наблюдатель адаптировался к красному цвету, хотя сам наблюдатель воспринимает совершенно иной цвет после адаптации — ярко-зеленый вместо желтого. То же самое происходит и при адаптации к зеленому цвету — оба поля будут казаться наблюдателю одного и того же красного цвета. Совпадение цветов продолжает сохраняться (рис. 4 на цветной вклейке).
Если бы, однако, существовал специальный вид рецепторов, чувствительных к желтому цвету, этого бы не произошло. Специальные, чувствительные к желтому цвету рецепторы давали бы при монохроматическом поле ощущение желтого цвета, несмотря на адаптацию к красному или зеленому цвету, приводящую к изменению цвета смешанного поля. Простые рецепторы не могли бы давать при адаптации сдвиги цветов на спектральной шкале. Но желтый цвет, видимый при совместной работе рецепторных систем, воспринимающих красный и зеленый цвета, должен был бы измениться после того, как изменится чувствительность той или другой системы под влиянием адаптирующего цвета. Таким образом, не могут существовать две различные системы, ответственные за восприятие цвета двух полей, или на эти две системы по-разному воздействует адаптация к окрашенному свету. Следовательно, не существует специальных рецепторов, чувствительных к желтому цвету.
Этот эксперимент можно повторить и с другими цветами со сходным результатом, показывающим, что ни один цвет не воспринимается специальной системой рецепторов. Те же самые результаты получены также и у аномальных наблюдателей: их первоначальное восприятие цвета было иным, но раз установленные соотношения компонентов после адаптации сохранялись неизменными.
Теперь мы приходим к любопытному заключению. Если с помощью аномалоскопа нельзя отличить нормальные глаза без цветовой адаптации и после нее, из этого следует, что аномалии цветового зрения не могут быть похожи на цветовую адаптацию. Но всегда как раз считалось, что цветовая аномалия в общем сходна с цветовой адаптацией, то есть цветовая аномалия рассматривалась как уменьшение чувствительности одной или более цветовых систем сетчатки вследствие частичной утраты фотопигмента. Это, по-видимому, неверно. Причина цветовой аномалии неясна; может быть, существует много причин, но несомненно, что это нарушение возникает не вследствие простой недостаточности фотопигмента, иначе аномалоскоп ничего бы не показал.
- Вместе с Гельмгольцем Томас Юнг (1773—1829) положил начало современным исследованиям цветового зрения. Будучи всесторонне одаренным человеком, Юнг внес важный вклад в науку о зрении, а также в египтологию, оказав помощь в переводе «Rosetta Stone».
