Hvað eru litir?

Svar

Litir verða til í merkilegu samspili milli tíðnidreifingar í ljósinu kringum okkur og sjónskynjunarinnar sem fer fram bæði í auga, sjóntaug og heila. Samkvæmt eðlisfræðinni getur rafsegulsvið myndað bylgjur sem berast um rúmið rétt eins og bylgjur á vatnsfleti eða hljóð í lofti. Ljósið sem við sjáum með augunum er rafsegulbylgjur á tilteknu tíðnibili. Hreinræktaðir eða fullmettaðir litir sem svo eru kallaðir koma fram þegar ljósið hefur nær eingöngu þá tíðni sem samsvarar viðkomandi lit. Blandaðir litir koma hins vegar fram þegar tíðnidreifingin verður breiðari. Alla liti má fá fram með því að leggja saman þrjá liti, til dæmis rautt, grænt og blátt.


Frá því á nítjándu öld hafa menn vitað að breytilegt segulsvið veldur rafsviði (lögmál Faradays) og síðan að breytilegt rafsvið veldur segulsviði. Rafsvið og segulsvið eru því nátengd og geta til dæmis svo að segja viðhaldið sjálfum sér sem bylgjur jafnvel þótt ekkert efni sé til staðar. Allar rafsegulbylgjur fara með hraða ljóssins sem er nálægt 300.000 km á sekúndu.

Allar bylgjur hafa tvær mikilvægar kennistærðir sem nefnast bylgjulengd og tíðni. Bylgjulengdin er einfaldlega fjarlægðin frá einum öldutoppi til þess næsta en tíðni segir til um hversu margir bylgjutoppar fara hjá á einni sekúndu. Margfeldi tíðni og bylgjulengdar er alltaf jafnt hraða bylgjunnar, í þessu tilviki ljóshraðanum. Það þýðir meðal annars að tíðnin ákvarðast af bylgjulengdinni og öfugt.

Tíðni rafsegulbylgna mótast af því hvernig þær verða til í náttúrunni eða í tækjum manna. Rafsegulbylgjur hafa mjög mismunandi tíðni og birtast okkur með svo ólíkum hætti að ætla mætti að um allsendis óskyld fyrirbæri væri að ræða. Þannig hafa lengstu útvarpsbylgjur bylgjulengd allt að 100 km en gammageislar geta haft bylgjulengd langt niður fyrir einn nanómetra (1 nm) sem er milljarðasti hluti úr metra. Þetta sést nánar á mynd og þar kemur einnig fram að sýnilegt ljós er aðeins örlítill hluti rafsegulrófsins. Nánar tiltekið sjáum við rafsegulbylgjur sem hafa bylgjulengd frá því um 400 nm upp í 700-750 nm og það eru þessar bylgjur sem við köllum ljós.

Smellið á myndina til að sjá stærri útgáfu af henni.
Ef í tilteknu ljósi er því sem næst eingöngu einhver tiltekin bylgjulengd segjum við að ljósið sé einlitt (e. monochromatic). Þannig er til dæmis gult ljós frá svokölluðum natrínlömpum sem eru stundum notaðir til götulýsingar. Þegar litur er mettaður sem kallað er, er ljósið ekki heldur fjarri því að vera einlitt. En ljósið í umhverfi okkar er oft langt frá því að vera einlitt. Hlutir sem lýsa vegna hita eins og til dæmis glóðarþráður í ljósaperu, logandi eldspýta eða glóandi skörungur senda frá sér ljós með breiðri tíðnidreifingu og liturinn sem við skynjum er þá fyrst og fremst háður hita hlutarins; þegar við hitum hlutinn breytist liturinn til að mynda úr rauðu yfir í hvítt.

En þetta svarar ekki þeirri spurningu, hvað ræður litnum á hlutum sem lýsa ekki af eigin rammleik. Hvítt ljós eins og sólarljósið er í rauninni blanda af öllum litum. Þegar slíkt ljós fellur á hlut drekkur hann hluta af því í sig en endurkastar hinu og það er þetta endurkastaða ljós sem ræður lit hlutarins. Ef við hugsum okkur um könnumst við öll við það að hlutir eins og til dæmis málverk breyta svolítið um lit eftir birtuskilyrðum; endurkastaða ljósið breytist svolítið um leið og ljósið sem fellur á hlutinn breytist. En ef hluturinn endurkastar öllum litum jafnt sýnist okkur hann hvítur, grár eða svartur eftir því hvort endurkastið er mikið eða lítið. Ef hann endurkastar hins vegar fyrst og fremst tilteknum lit sýnist okkur hann hafa þann lit.

Menn komust að því á nítjándu öld að skýra mátti flest atriði í litaskynjun manna með því að litnemarnir í nethimnu augans séu í aðalatriðum þrenns konar, einn fyrir rautt, einn fyrir grænt og einn fyrir blátt. Hver þessara nema skilar einu litgildi; lýsa má því sem hann skynjar með einni tölu. Heildarskynjunin mótast af litgildunum frá öllum nemunum þremur, þó þannig að hlutföllin ein skipta máli og summa „litgildanna“ er því 1. Litaþríhyrningnum á mynd 2 hér á eftir er ætlað að sýna með þessum hætti öll hugsanleg litbrigði.



Þessi þríhyrningur á að sýna þá liti sem mannsaugað getur greint. Að vísu er ekki hægt að koma þeim rétt til skila á tölvuskjá og þar að auki er ekki tekið tillit til birtu. Í minni birtu gæti til dæmis hvíti liturinn í miðjunni orðið grár eða svartur. Á lárétta ásnum er litgildi rauðs litar í litnum og á þeim lóðrétta er litgildi græns litar. Litgildi blás litar má þá finna vegna þess að summa þessara þriggja litgilda verður að vera einn. Litirnir við bogadregna jaðarinn þar sem tölurnar eru eru hreinræktaðir litir og tölurnar gefa upp bylgjulengd þeirra í nanómetrum. Innan hvítstrikaða þríhyrningsins eru þeir litir sem geta sést á venjulegum sjónvarpsskjá. Brotna strikið sýnir liti ljósmyndafilmu og innan svarta þríhyrningsins eru þeir litir sem unnt er að ná með leysimyndvörpun.

Þegar horft er á litaþríhyrninginn er eðlilegt að spyrja: Hvað eru til margir mismunandi litir? og spurningar um þetta hafa líka borist Vísindavefnum. Í skilningi stærðfræðinnar og eðlisfræðinnar eru litirnir óendanlega margir, einn fyrir hvert litgildi sem áður var nefnt. Tilraunir með sjónskynjun manna benda hins vegar til þess að litafjöldinn sem raunverulegt mannsauga getur greint sé milli einnar og tíu milljóna.

Í þessu svari hefur talsvert verið stuðst við grein Þorsteins Halldórssonar sem nefnd er undir lesefni hér á eftir. Við ljúkum svarinu með eftirfarandi orðréttri tilvitnun: (bls. 122):

Litaskynið bætir nýrri vídd við það sem við sjáum. Berum til dæmis saman mynd af skógi eða engi á sumri og vetri eða himininn á sólbjörtum degi og við sólarlag. Náttúran hefur gætt okkur litaskyni til að gera okkur auðveldara að greina milli hluta, verða fyrr vör við óvini og hættur og til að auðvelda okkur að velja á milli fæðutegunda. En hefur hún einnig gert ráð fyrir því að við gætum glaðst og hrifist af litum?

Mynd:

• Efri myndin hér fyrir ofan er fengin af Wikimedia commons. Sótt 2. 8. 2011. Texti íslenskaður af starfsmönnum Vísindavefsins.

Sjá einnig:

• Þorsteinn J. Halldórsson, 1998. "Sjón og sjónhverfingar." Hjá Þorsteini Vilhjálmssyni (ritstj.), Undur veraldar. Reykjavík: Mál og menning, bls. 107-29.