چرا اجسام رنگ دارند؟ مکالمه پنهان بین نور، ماده و ذهن

یک سیب قرمز، قرمزی را داخل خود مثل مایعی زیر پوست خود ندارد. یک دیوار آبی یک منبع رنگ آبی نیست و یک کت مشکی شامل تاریکی به عنوان ماده فیزیکی نمی باشد. اجسام رنگ دارند چرا نور با مواد روبرو می شود، مواد به طور مشخص نور را تغییر می دهد و سیستم بصری چیزی که به چشم می رسد را درک و تفسیر می کند.

از این رو رنگ فقط خصوصیت خود جسم نیست. بلکه واقعه ایست که رابطه بین نور، ماده، ساختار، چشم و مغز ایجاد می شود. تغییر در هرکدام از این روابط، منبع نور، سطح، مشاهده گر یا محیط اطراف ممکن است باعث تغییر رنگ شود.

فهمیدن اینکه چرا اجسام رنگ دارند ما را به سفری از امواج الکترومغناطیس و ساختار مولکولی تا رنگدانه ها، بال های پروانه، بینایی انسان و هوش ادراکی مغز می برد.

قبل از اینکه رنگ باشد خود نور است

نور مرئی یک منطقه کوچک از طیف الکترومغناطیسیست. این منطقه شامل طول موج های حدودی بین 380 تا 700 نانومتر است هرچند که محدوده دقیق بین افراد کمی متفاوت است. طول موج های کوتاهتر معمولا با بنفش و آبی و طول موج های بلند تر با نارنجی و قرمز مرتبط می شوند.

نور خورشید به نظر سفید است چرا که شامل مخلوط وسیع تمام نور های مرئیست. وقتی نور سفید از یک منشور گذر می کند این طول موج ها جدا شده و یک طیف می سازد. منشور رنگ ها را درست نمی کند بلکه تفاوت های درون نور را معلوم می کند.

با اینحال طول موج از نظر روانشناختی فقط رنگ نیست. طول موج یک کیفیت قابل اندازه گیری فیزیکیست. رنگ یک تجربه بصریست که وقتی سیستم عصبی به الگو های نور جواب میدهد ساخته می شود.

بدون نور، بیشتر اجسام معمولی هیچ رنگ مرئی ندارند. یک کتاب قرمز در یک اتاق کاملا تاریک دارای همان ویژگی سطح فیزیکیست که رنگ قرمز را ایجاد می کند اما در این شرایط هیچ رنگ قرمز به چشم نمی رسد و رنگ هایش غیر قابل دیدن است چرا که کنش تمام نشده است.

پیشنهاد مطالعه: دوگانگی موج و ذره

 در حین برخورد نور به جسم چه اتفاقی می افتد؟

وقتی نور به ماده می رسد چندین اتفاق ممکن است بیفتد.بعضی از نور از سطح منعکس شده و بعضی وارد جسم و جذب می شود و باقی در جهت های مختلف پخش می شوند.

تعادل بین این فرآیند ها ظاهر جسم را معلوم می کند. یک برگ سبز زیر نور روز را تصور کنید رنگدانه ها و ساختار درونی برگ بخش زیادی از نور ورودی را قرمز و آبی را جذب و بیشتر طول موج سبز را به سمت مشاهده گر منعکس می کند. سیستم بصری این الگو را دریافت و برگ را به شکل سبز می بیند.

اینکه بگیم برگ شامل سبز است وسوسه کنندست اما این فرآیند عمیق تر است. برگ شامل مولکول هاییست که ساختار های الکتریکی اش با طول موج های مختلف به شکل متفاوتی برهم کنش می کند و رنگ ظاهری اش بر اساس اون طول موج هایی که جذب نمی شود و چیزی که به چشم می رسد تعیین می شود.

این توضیح مرکزی رنگ اجسام است و نکته اساسی این است که ماده با طول موج های مختلف نور مرئی به یک شکل رفتار نمی کند.

برای کسب اطلاعات بیشتر درباره ویژگی های نور به دو نوشته شکست نور و پدیده پراش مراجعه کنید

بقای نور با انتخاب مولکول ها

اتم ها دارای الکترون هایی هستند که می تواند وضعیت های مشخص انرژی را بگیرند. مولکول ها محتوی چیدمان پیچیده تر الکترون هستند که به آن ها اجازه می دهد که با نور در راه های مناسب برهم کنش کند.

وقتی که فوتون یک میزان مناسب انرژی داشته باشد آن انرژی جذب و می تواند الکترون را به حالت انرژی بالاتر ببرد. چرا که انرژی فوتون به طول موج وابسته است یک ماده ممکن است بعضی طول موج ها را بیشتر از بقیه جذب کند.

این جذب انتخابی، نور بازتاب یافته از ماده را مشخص می کند.

یک رنگدانه قرمز مقدار زیادی از آبی و سبز نور مرئی را جذب و طول موج های مرتبط با قرمز را منعکس می کند. یک رنگدانه زرد بیشتر بخش آبی را حذف و مخلوطی را برمیگرداند که سیستم بصری به زرد تفسیر می کند. چیدمان های مختلف مولکولی  الگو های جذب متفاوت درست می کنند و بخاطر همین است که حتی یک تغییر کوچک شیمیایی می تواند رنگ ماده را به میزان زیادی تغییر دهد.

این اصل رنگ رنگ ها، نقاشی، پلاستیک ها، گل ها، غذا، پارچه و مواد معدنی را توضیح می دهد.رنگ آن ها از برهم کنش میکروسکوپی که به تنهایی نامرئی و در ترکیب قوی هستند ایجاد می شود.

پیشنهاد برای خواندن: راهنمای انواع دوربین شکاری

چرا اجسام سفید به ظاهر سفید و اجسام سیاه به ظاهر سیاه می آیند؟

یک سطح سفید بخش زیادی از طول موج های مرئی را تقریبا به یک میزان منعکس و پخش می کند و نور بازگشتی سیستم بصری را به میزان متعادلی تحریک و تجربه رنگ سفید را ایجاد می کند.

یک سطح سیاه بخش بزرگی از طیف مرئی را جذب می کند و بخاطر اینکه نور خیلی کمی به چشم می رسد به نظر سیاه می آید.

بخاطر همین است که مواد سیاه در زیر نور خورشید گرمتر از اشیای سفید می شوند. چرا که بخش بزرگی از پرتو ها جذب شده و به انرژی درونی تبدیل می گردد در حالی که سطح سفید بخش بزرگی را انعکاس می دهد.

با اینحال، هیچ جسم سفیدی تمام طول موج ها را به طور کامل بازتاب نمی دهد و هیچ جسم سیاهی تمام نور تابشی را جذب نمی کند. سطوح واقعی در یک دنباله قرار دارند و ظاهرشون به بافتار، براقیت، نور و رنگ های محیطی وابسته است.

یک ماشین صیقل خورده مشکی میزان زیادی می تواند نور سفید را بازگرداند چرا که سطح صافش هایلایتای آینه ای ایجاد می کند حتی وقتی رنگ زیری نور باقی مانده را جذب می کند.

برای مطالعه: تاریخ اپتیک از عدسی و لنز های اولیه تا تلسکوپ های مدرن

شفافیت نیز انتخابیست

اجسام شفاف اجازه نمی دهند که تمام طور تغییر نیافته از بینش بگذرد. خیلی ها به صورت انتخابی نور را انتقال، جذب، انعکاس و انکسار می دهند.

یک شیشه شفاف بخش زیادی از طیف مرئی را منتقل می کند اما حتی یک شیشه بی رنگ می تواند رنگ سبز ایجاد کند وقتی از لبه ضخیمش دیده شود. شیشه رنگی دارای موادیست که می تواند طول موج های انتخابی را جذب و به باقی مانده نور اجازه گذر دهد.

یک شیشه قرمز به نظر قرمز می آید چرا که نور قرمز را در داخل خود عبور داده و باقی را جذب می کند. بر خلاف یک دیوار قرمز مات که در ابتدا از نور منعکس شده دیده می شود یک شیشه رنگی از طریق نور منتقل شده مشاهده می شود.

آب یک مثال دیگر برای این مسئلست. یک لیوان کوچک آب تمیز به نظر بی رنگ می آید چرا که مسیر انتقال نور کم است. در آب های عمیق  طول موج های بلند تر قرمز جذب شده و نور آبی تسلط پیدا می کند. هرچند که رنگ دریا موثر از نور منعکس شده آسمان، ذرات معلق، ارگانیسم ها، عمق و رنگ کف دریا نیز هست.

برای اینکه درباره رنگ آبی آسمان در روز بیشتر بدانید به نوشته چرا آسمان در روز آبیست ؟ توضیح پراکندگی رایلی مراجعه کنید.

رنگ رنگدانه و رنگ ساختاری

تمام رنگ ها با رنگدانه درست نشدند بعضی از رنگ های جذاب طبیعت از ساختارهای میکروسکوپی طبیعت به وجود می اید.

رنگ ها رنگدانه ای به جذب انتخابی مولکول ها وابسته است. رنگ های ساختاری از طریقه مداخله، پخش یا پراش سطوح کوچک، لایه ها لبه ها یا ذرات به وجود می آید. آبی درخشان بال های سنجاقک یک مثال معروف در این زمینه است. بال ها شامل رنگدانه های آبی کمی هستند به جای آن ساختار های مولکولی طوری با نور کنش می کنند که بعضی طول موج ها همدیگر را تقویت و باقی همدیگر را خنثی یا تضعیف می کنند.

تاثیر شبیه به مین در بال طاووس، پوسته سوسک، صدف دریایی، پر و بال پرندگان، حباب صابون، لایه های روغنی و عقیق دیده می شود. از آنجا که رنگ های ساختاری وابسته به زاویه دید هستند ظاهر آن ها می تواند با تغییر مکان مشاهده گر یا منبع نور تغییر کند. این تغییر کیفیت رنگین کمانی را رنگین تابی ( Iridescence) می نامند.

رنپ روی سطوح نقاشی نمی شود بلکه توسط ساختار ایجاد شده است.

چرا فلز نور را به شکل متفاوتی منعکس می کند

فلزات الکترون های آزادی دارند که به پرتو های الکترومغناطیس ورودی به مقدار زیادی جواب می دهند. این به آن ها اجازه می دهد که محدوده زیادی از طول موج مرئی را منعکس درخشش و روشنایی خودشان را ایجاد کنند.

خیلی از فلزات مثل نقره و آلومینیوم نور مرئی را به مقدار متناسبی منعکس و از این رو به ظاهر نقره ای یا خاکستری می ایند. طلا بخاطر ساختار الکترونی اش متفاوت است و نور بیشتری را در ناحیه آبی جذب کرده و طیف زرد و قرمز را بر می گرداند و مس نیز شبیه طلا بخش های گرم نور را بیشتر منعکس کرده و بخاطر همین به رنگ قرمز و نارنجی دیده می شود.

از این رو رنگ های متالیک از انتخاب طیفی و انعکاس دقیق به وجود می آید.

البته شرایط سطح نیز مهم است. فلز صیقل خورده می تواند انعکاس های تیز ایجاد کند در حالی که فلز خراش خورده یا اکسید شده نور را به میزان بیشتری پخش می کند. فلز زنگ خورده نیز دارای مواد شیمیایی جدید با ویژگی های اپتیکی جدید است که رنگ مختلفی را باز می گرداند.

لنز ها چگونه تصویر می سازند؟ از نور پخش شده به تصویر متمرکز

چشم به مانند دوربین رنگ را ثبت نمی کند

نوری که به چشم انسان وارد می شود در شبکیه متمرکز می شود جایی که سلول های حساس به نور آن ها را به سیگنال عصبی تبدیل می کند. سلول های میله های به شرایط نوری کم حساس بوده اما به دید رنگی تقریبا هیچ کمکی نمی کنند. سلول های مخروطی  به بینایی در شرایط پرنور تر کمک می کند و باعث دید رنگی انسان می شود.

انسان ها دارای سه طبقه از مخروط ها هستند که به اختصار حساس به طول موج های کوتاه، میانی و بلند یا به عبارت ساده تر حساس به آبی، سبز و قرمز نامیده می شود اما هرکدام به محدوده وسیعی از طول موج ها واکنش می دهند.

مغز فعالیت نسبی این مخروط ها را مقایسه و رنگ را بر اساس یک الگو در سیستم بصری تفسیر می کند.بخاطر همین است که مخلوط طول موج های مختلف می تواند شبیه هم به نظر برسد. یک صفحه نیاز ندارد که تمام طول موج های منعکس شده توسط یک گل قرمز و زرد را منعکس کند بلکه با ترکیب سبز و قرمز به میزان مناسب می تواند پاسخ سلول مخروطی ای ایجاد کند که مغز به عنوان زرد بشناسد.

مغز جهان بی ثبات را با ثبات می کند

نوری که از یک جسم منعکس می شود با تغییر نور تغییر می کند. نور صبح، لامپ فلوئوروسنت، شمع، آسمان ابری و صفحه گوشی ترکیب های طیفی مختلفی دارند با اینحال اجسام با رنگ های با ثباتی به نظر می رسند.

این مهارت ادراک ما به ثبات رنگی معروف است.

مغز شخصیت نور را تخمین زده و سطوح را نسبت به محیط تفسیر می کند. یک صفحه سفید کاغذ میزان بیشتری نور زرد و نارنجی زیر نور گرم و بیشتر نور آبی زیر نور سرد آسمان بازتاب می دهد اما با اینحال در هر دو جا به صورت یک صفحه سفید درک می شود.

زمینه رنگ نیز می تواند توهم های بیداری ایجاد کند یک رنگ خاکستری یکسان در کنار مشکی به ظاهر روشنتر و در مقابل سفید تاریک تر به نظر می آید. یک رنگ خنثی در کنار آبی به نظر گرم و در کنار نارنجی سرد به نظر می آید. سایه ها به نظر آبی می آیند نه بخاطر اینکه رنگ آبی ساطع می کنند بلکه بخاطر اینکه مغز ان ها را نسبت به مناطق گرمتر و روشنتر می سنجد.

ما طول موج ها را نه در تنهایی بلکه در روابط درک می کنیم. برای مطالعه بیشتر در این زمینه به نوشته درک نور در مغز،  تقاطع فیزیک و نوروساینس مراجعه کنید

آیا جسمی هست که رنگ واقعی داشته باشد؟

یک جسم ویژگی های اپتیکی قابل اندازه گیری دارد اما رنگ مرئی اش به طور کامل ثابت نیست. یک گوجه قرمز زیر نور سفید قرمز دیده می شود اما زیر منبع نوری که نور قرمز کمی دارد ممکن است سیاه به نظر آید. یک پارچه آبی که زیر نور های مختلف عکاسی می شود به سمت بنفش، سایان یا خاکستری می رود. بعضی مواد با زاویه، رطوبت، دما یا مشکلات بافتار به میزان زیادی تغییر می کند.

گونه های مختلف نیز جهان رنگی متفاوت دارند. زنبور ها می توانند الگوی فرابنفش گل ها را شناسایی کنند که انسان ها توان دیدنشان را ندارند. خیلی از پرندگان دارای چهار نوع مخروط به جای سه تا هستند که به آنها قدرت تمایزگذاری رنگی خارق العاده ای می دهد و بعضی پستانداران دید رنگی محدودتری نسبت به ما دارند.

جسم از نظر فیزیکی حاضر است اما رنگ آن وابسته به سیستم بصریست که با آن روبرو می شود.

این مسئله رنگ را غیر واقعی نمی کند موسیقی بخاطر اینکه نیازمند گوش و سیستم عصبیست غیر واقعی نیست. رنگ نیز یک پدیده ادراکی ناب است که وقتی دنیای فیزیکی با مشاهده گر زنده روبرو می شود ایجاد می گردد.

از نگاه متفکران: جملات افلاطون درباره حقیقت

نتیجه گیری

اجسام رنگ دارند چرا که نور محدوده ای از طول موج ها را حمل می کند که اجسام به میزان انتخابی جذب، انعکاس، پخش یا منتقل می کند و سیستم بصری رنگ باقی مانده را به تجربه دیداری تبدیل می کند.

رنگ دانه ها از طریق جذب مولکولی رنگ را ایجاد می کنند. فلنز از الکترون های آزاد برای انعکاس نور استفاده می کند و بال های سنجاقک و عقیق ها از طریق ساختار های میکروسکوپی رنگ ایجاد می کنند. مواد شفاف نور منتقل شده را فیلتر می کنند و چشم از طیف نوری که به خود می رسد نمونه برداری کرده در حالی که مغز از طریق قیاس، حافظه، سازگاری و زمینه آن را تفسیر می کند.

از این رو رنگ نه به یک جسم نه به مشاهده گر تعلق دارد. هر سطح رنگی ای نتیجه یک اندرکنش پنهان است بین نوری که به سطح می رسد، نوع جواب ماده و ذهنی که جواب را با توجه به شرایط محیطی و تاریخی بازسازی می کند.