论色觉
麦克斯韦
王静 翻译
江丕栋 审稿
这是3月24日向皇家研究院所作的演讲
编者按
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在颜色理论方面的研究是其不太著名的科学贡献之一。早先,麦克斯韦就向人们展示了如何通过混合光的三原色(红、绿、蓝)来得到几乎所有的颜色,这为彩色照相技术和投影技术铺平了道路。在这篇以一次在伦敦皇家研究院所作的报告为基础而形成的文稿中,麦克斯韦回顾了这项研究工作并进一步阐述了其对色觉的意义。1801年,托马斯·杨就提出眼睛中有三种光感受体。麦克斯韦在这里指出,人们已经确认这些光感受体就是视网膜上的杆状细胞和锥形细胞。尽管当时还没有证实存在三种不同类型的对颜色敏感的锥形细胞,但麦克斯韦仍然明确地支持这种猜想。
所有的视觉都是色觉,因为我们只有通过观察颜色的差别才能区分物体的形态。我把明暗的区别也包含在了颜色的区别当中。
约在本世纪初,托马斯·杨在皇家研究院第一次明确地宣布了这个关于色觉的学说,这里,我将要对它进行阐述。我们可以这样来表述:我们能够体验到三种不同的颜色感觉。不同类型的光会以不同比例激发三种颜色感觉,所有可见的颜色就是由这三种基本感觉经过不同的组合而形成的。在这里,有一个词是值得我们注意的,那就是“感觉”。说颜色是一种感觉简直就是一个起码的常识;但杨真正确认了这个基本事实,首先建立了与之一致的关于颜色的理论。据我所知,托马斯·杨是第一个从人类的知觉而不是从光的本质来解释众所周知的三原色的人。即便是那些在杨以后撰写了有关颜色的著作的人们,不是认为应该去研究颜料的特性就是认为应该去分析光线。他们试图用人类自身之外的那些外在本质来揭示颜色的奥秘。
意识。
现在,如果说我们称之为颜色的这种感觉遵循某种规律的话,那么一定是我们自身的本质决定了这种规律的形式。无需由我来告诉你,我们所能获得的关于自身的唯一证据就来自于我们的因此,色彩学在本质上应该被当作是一种精神科学。它与大多数所谓的精神科学有很大的区别,它要用到物理学,特别是要用到光学和解剖学。但是,种种精神活动提供了大量的例证,可以证明色彩学是一种精神科学。
当我们利用物理学来处理这一问题的时候,总是感到有更坚实的理论基础。因此,我将从说明我们如何把牛顿的发现运用于光线的操控入手,以此给你一个机会,让你知道你对颜色的不同感觉。
在牛顿之前,白光被认为是所有已知物质中最纯粹的物质。有色光被认为是白光接触到物体而受到了污染。我们也许仍然可以认为白光象征着纯粹,但是牛顿已经告诉我们,白光的纯粹并不意味着简单。
现在,我们在屏幕上呈现棱镜光谱,得到的就是构成白光的基本颜色。当我们从一端向另一端观察的时候,可以分辨出很多不同的色彩;但是当我们使用功能更为强大的分光镜,或者利用别人已经制好的光谱时,我们就会发现大量不同种类的光线,每一种都值得专门研究。光谱中可分辨谱线数量增加的比例与仪器分辨率提高的比例是一致的。
牛顿已经证实,所有的光都是由上面所提到的光线以不同的比例组合而成的。当我们所谓的有色物体被白光照亮的时候,它会选择光线,而我们的眼睛能接受到的只是照射在其上的一部分光线。如果物体只被光谱中纯粹的单色光线所照射,那么它就只能呈现出那种颜色。如果我把红纸和绿纸交替放在一个盘子的不同象限里,用红光照射,整个盘子都会呈现出红色,但是红纸所在部分最明亮。如果把盘子放在绿光中,那么红纸和绿纸都会呈现出绿色,但这一次红纸部分是最暗的。这就是物体被白光照射时所呈现的颜色的光学解释。它们把白光拆分成不同的组成部分,然后吸收一部分,反射另外的部分。
这里有两种透明的溶液。一种是黄色的重铬酸钾溶液,另一种是蓝色的硫酸铜溶液。如果我让电灯发射的光通过这两种溶液,那么投射到屏幕上的是绿色光斑,这可以用光谱来解释。黄色溶液将光谱中的蓝色一端切断,只剩下了红色、橙色、黄色和绿色;蓝色溶液则将光谱中的红色一端切断,只剩下绿色、蓝色和紫色。正如你看到的那样,只有绿色光才能通过两种溶液。同样的道理,蓝色和黄色的颜料混合在一起通常会呈现出绿色。光照射在混合颜料上,黄色和蓝色的颜料颗粒吸收各自范围的光线,只有绿色光线可以反射出来。但是黄光和蓝光却不能混合成绿光,如果我们把它们投射到屏幕上的同一个区域,就可以看出来。
这是一个与我们的精神活动过程有关的惊人例子:根据颜料混合物的实验结果,许多人不仅相信蓝色加上黄色会呈现绿色,而且还认为自己可以从绿色的视觉感受中分离出黄色和蓝色的部分。
到目前为止,我们都在用有色的物质来分析光学问题。现在,我们仍然需要按照牛顿的理论回到棱镜光谱上来。牛顿不仅
解开了日光那耀眼的罩袍,
而且还展示了如何把它重新整合起来。我们有一束纯的分光光谱,但没有将它投射到屏幕上,而是让它通过一个足够大的棱镜以便接收各种颜色的光。依照我们熟知的光学原理,这些光线在其前方一定距离处的屏幕上会形成分光光谱的图像。这个图像由各种颜色的光线组成,而你看到的结果是白色的。但如果我挡住任何一种颜色的光,图像将不再是白色的,而是有色的;如果我只让一种颜色的光通过,那么分光光谱的图像上所呈现的就是那种颜色。
这里,我可以利用设置狭缝的方法选择光谱中的一部分、两部分或三部分光谱线,使其成像,而其他部分则被挡住。这样我就可以极好地控制光谱中的颜色了,通过调整光路中各狭缝的宽度和位置,可以使屏幕上呈现出每一种颜色的图像。我还可以在光路中插入透镜,使你看到狭缝的像,这样你就可以观察到混合在一起的不同种类的光。
现在,选取红、绿、蓝三种颜色,正如你所见,它们混合在一起后几乎是白色的。我们也可以尝试一下混合三种当中的任意两种颜色。红色和蓝色形成纯紫色或者深红色,绿色和蓝色形成海绿色或者天蓝色,红色和绿色形成黄色。
这里,我们又得到了一个并非被广泛了解的事实。没有哪一个画家会用他的红颜料和绿颜料混合在一起调出纯黄色。这样做只能得到一种很脏的灰黄色。他自己本来就有鲜亮的黄颜料,用这个就行了。当他混合红绿两种颜料的时候,红颜料颗粒所反射出来的红光因为被绿颜料颗粒吸收而几乎失去了全部亮度,绿光的情况也好不了多少,因为绿颜料颗粒反射出的绿光也会被红颜料颗粒吸收。但是如果我们作画时所用的笔是由光线组成的,那么涂覆两种颜色得到的效果就会完全不同。红光和绿光会形成非常漂亮的黄色,和光谱中最纯的黄光一样鲜艳。
我现在调整狭缝,选取光谱中的黄光。你会发现它与红光和绿光混合在一起的颜色非常相似。然而,用物理学的观点来看,它与混合物不同,因为它是严格均质的。正如你所见,棱镜并没有像对待混合光线那样把它分成两部分。让我们把这束黄光和光谱中的蓝光混合起来。结果当然不是绿光;如果采用暖色调的黄光,我们得到的将是粉色,但如果我们选的是偏绿的黄光,就会得到很好的白色。
你已经看到了一些最显著的颜色组合,其他颜色组合与这些相比只有程度上的差别,而没有本质上的差别。现在,我请你别去考虑那些让你看到颜色的实验装置,而把你的注意力集中在你所看到的颜色上,也就是说,把注意力集中在你的感受上。我们遇到的困难是,我们无法进行纯粹的物理意义上的研究。我们都能感觉得到,但是谁也无法描述这一切。感觉不仅是个人的感受,而且难以表达出来。我们能说出那些刺激我们感受的外部物体的名字,但是无法描述那种感受本身。
当我们注视一大块均匀的颜色时,不论这种颜色是简单的还是复合的,我们发现在我们的意识中对颜色的感觉是一个不可分割的整体。我们无法像分辨和弦中的音符那样,直接把构成这种感受的元素分离出来。所以颜色应该被看作是一种单一的东西,而它的性质可以改变。
为了能用精确的科学术语描述一个量,我们必须建立这个量与一个或几个变量之间的依赖关系,我们研究工作的第一步是确定能充分必要地决定一种颜色性质的变量的数目。我们不需要任何复杂的实验就能证明颜色的性质依赖且只依赖于三个独立的变量。
画家们对此有一种说法,即颜色之间的区别是:色相、纯度和明度。
一系列色彩依色相变化的最好例子就是光谱本身。光谱中相邻颜色的差异可以用来说明色相的区别。光谱中的色相系列并不完全;因为要想得到紫色色相,我们必须混合红光和蓝光。
纯度可以被定义为一种颜色纯净的程度。这样,明黄色、浅黄色和奶黄色形成了一个具有几乎相同色相的系列,但纯度不同。对应于某个给定的色相,纯度不同的一组颜色可以形成一个系列,从最浓的颜色开始,到最淡的颜色结束。