T41. UNDERSTANDING COLOR by Anthony J. Kirby, Cambridge University, UK

We are told that CCell's vision ranges in the electromagnetic spectrum all the way from the UV-Visible region to X-rays. It is hard to imagine how this is possible, but it reminds us how narrow is the band of wavelengths (400-700 nm) in which our eyes can detect color. There is a good, basic reason for this: the energies involved cover the region in which electromagnetic radiation is "tuned" to interact with electrons in molecules. This happens when light falls on a work of art, and it is happening in our retinas when we see the result.

Today we have a good understanding of how we see color, firmly based on experimental science: but this understanding was hard won, and even today not everyone grasps the essentials. The crucial experiment was Newton's demonstration (1666) that a beam of colorless (white) light separates on passing through a glass prism into a range of colours: these cannot be separated further, but when passed through a second prism they merge to regenerate white light. Thus, mixing light of different colours generates white.

Newton's ideas were not readily or universally accepted, because they seemed anti-intuitive. Hard-wired into our consciousness is what happens with pigments when we are painting. We know very well that mixing colors does not give anything like white: quite the opposite – adding more colors to the mix eventually gives black, via a dirty brown.

The explanation is (at least fairly) simple, and makes the key distinction between ADDITIVE and SUBTRACTIVE mixing. When light is reflected from a surface which we see as colored – and thus contains a pigment – that pigment is absorbing light of specific wavelengths. When it contains a mixture of two or more pigments of different colors they absorb different, specific wavelengths: so that less and less of the incident light is reflected, and what we see eventually turns through brown to black. This is the familiar result of SUBTRACTIVE mixing.

Newton's experiment, on the other hand, showed that mixing colors can give rise to white. How is this different? The answer is that his experiment involved mixing light rays – that is to say separate, complementary sources of light, generated by passing white light through his prism. No light is absorbed in this experiment, which involves only the ADDITIVE mixing of colors. The colored surface, in contrast, had to be illuminated by a separate light source.

Many experiments have been devised to demonstrate this principle in a more intuitive way. One of the simplest involves Newton's Colour Wheel. A circle, with a number of sectors of the appropriate colors (Figure), is rotated about its centre. When it spins rapidly enough the colors appear to merge and disappear, as the different reflected colors are superimposed. (Because the eye can hold an individual image for only some 1/15 seconds – the same principle that makes the separate frames of a movie appear continuous).

Additive mixing was unfamiliar in the 17^th century. Now we take it almost for granted, as it drives the output from computer, smart phone and TV screens.

References. Color is an ideal topic for the web, and you will find many excellent treatments.

e.g. at http://www.webexhibits.org/causesofcolor/.

An excellent book, which all good libraries should have, is "Bright Earth. The Invention of Colour" by Philip Ball. ISBN 978-0-099-50713-0

COMPREENDENDO AS CORES
Anthony J. Kirby, Cambridge University, UK

Dizem-nos que a visão de CCell cobre a parte do espectro eletromagnético que vai da região UV-Visível até Raios-X. É difícil imaginar como isso é possível, mas nos lembra quão estreita é a faixa de comprimentos de onda (400-700 nm), em que nossos olhos podem detectar cores. Existe uma boa e básica razão para isso: as energias envolvidas cobrem a região em que a radiação eletromagnética está "sintonizada" para interagir com elétrons nas moléculas. Isso acontece quando a luz incide sobre uma obra de arte, e está acontecendo em nossas retinas, quando vemos o resultado.

Hoje temos uma boa compreensão de como vemos as cores, firmemente baseada na ciência experimental: mas esse entendimento foi duramente conquistado, e, até hoje nem todos os seres humanos captam os fundamentos. O experimento crucial foi a demonstração de Newton (1666) que um feixe de luz incolor (branca) separa ao passar por um prisma de vidro em um conjunto de cores: estes não podem ser separados ainda mais, mas quando passados por um segundo prisma eles se fundem para regenerar a luz branca. Assim, misturando luz de cores diferentes é gerada a cor branca.

As ideias de Newton não foram aceitas de forma fácil e universal, porque pareciam anti-intuitivas. Está fortemente amarrado em nossa conciência o que acontece com os pigmentos quando estamos pintando. Nós sabemos perfeitamente que misturando cores não se forma nada parecido ao branco: pelo contrário – agregando mais e mais cores à mistura a mesma eventualmente fica preta, via um marrom escuro.

A explicação é (pelo menos bastante) simples, e depende da distinção chave entre misturas ADITIVAS e SUBTRATIVAS. Quando a luz é refletida de uma superfície que vemos como colorida - e, portanto, contém um pigmento - o pigmento está absorvendo luz de comprimentos de onda específicos. Quando contém uma mistura de dois ou mais pigmentos de cores diferentes, os mesmos absorvem em comprimentos de onda diferentes e específicos, de modo que cada vez menos e menos da luz incidente é refletida, e o que vemos, eventualmente, se transforma em marrom e logo em preto. Este é o resultado familiar de uma mistura SUBTRATIVA.

A experiência de Newton, por outro lado, mostrou que a mistura de cores pode dar origem ao branco. Porque o resultado é diferente? A resposta é que o experimento dele, envolve misturar raios de luz - ou seja, fontes complementares de luz, as quais foram geradas pela passagem de luz branca através de um prisma, que separa os feixes individuais. Nenhuma luz é absorvida neste experimento, e o mesmo apenas envolve uma mistura ADITIVA de cores. A superfície colorida, em contraste, tinha que ser iluminada por uma fonte de luz separada.

Muitos experimentos têm sido idealizados para demonstrar este princípio de forma mais intuitiva. Um dos mais simples envolve a Roda da Cor de Newton. Um círculo, com um número de setores de cores apropriadas (ver Figura), é girado sobre seu centro. Quando ele gira suficientemente rápido as cores parecem se fundir e desaparecer, a medida que as diferentes cores refletidas são sobrepostas. (Já que o olho pode manter uma imagem individual por apenas 1/15 de segundo – este mesmo princípio faz com que o conjunto de quadros separados de um filme pareçam contínuos).

A mistura aditiva era desconhecida no século 17. Agora nós a aceitamos quase como certa, uma vez que impulsiona a saída de computadores, telefones inteligentes e telas de TV.



Referências. Cor é um tema ideal para a web, e você encontrará muitos textos excelentes, por exemplo, em: http://www.webexhibits.org/causesofcolor/

Um livro excelente, que todas as boas bibliotecas deveriam ter, é: "Bright Earth. The Invention of Colour" by Philip Ball. ISBN 978-0-099-50713-0