ВопросВопрос учёному: Как мы воспринимаем цвета?

Алексей Акимов

Кандидат физико-математических наук, руководитель группы "Квантовые симуляторы" Российского квантового центра, преподаватель МФТИ, сотрудник ФИАН, исследователь в Harvard University

Это хороший вопрос. С одной стороны, он может показаться давно изученным, а с другой — может показаться, что мы только в начале пути. Как и многое другое, мы воспринимаем цвета при помощи мозга и его чувствительных приёмников. В случае света — это наш глаз. Глаз имеет довольно сложную структуру, но с точки зрения цвета нас прежде всего будет интересовать сетчатка — чувствительный элемент глаза. Хотя немаловажным является и тот факт, что оптика глаза, в первую очередь его хрусталик, формирует на сетчатке сфокусированное и перевёрнутое изображение. Всё как в фотоаппарате.

Как и матрица фотоаппарата, сетчатка глаза разбита на пиксели, только пикселей этих немного больше, чем в фотоаппарате. Пиксели эти двух родов — это колбочки и палочки. За цвет отвечают именно колбочки, во всяком случае, именно они вносят решающий вклад. Колбочек в нашем глазу около 7 миллионов. В самой чувствительной части сетчатки каждая колбочка соединена с отдельной передающей клеткой, посылающей сигнал в мозг, но ближе к периферии они начинают группироваться. Как и в фотоаппарате, колбочки бывают трёх разных типов — чувствительные к красному, зелёному или синему цвету. Из комбинации их сигналов мозг и восстанавливает цвет. Но когда мы говорим, что колбочка чувствительна только к определённому свету, мы говорим лишь о максимуме чувствительности. Каждый тип колбочки принимает широкий диапазон длин волн, по существу, каждая видит каждую длину волны с разной амплитудой. По этой разнице амплитуд мозг и восстанавливает цвет.

Резкие движения, быстрая смена изображений или набор узких, но редких спектральных линий может поставить мозг в тупик, и мы увидим неправильные цвета

На самом деле цвет есть не что иное, как реакция нашего мозга на определённое соотношение сигналов от колбочек. Свет, как электромагнитная волна, может распространяться на любой частоте (или длине волны), будь то радиоволны или ультрафиолет, и только мы, благодаря определённым химическим реакциям в наших колбочках, способны приписывать некоторым длинам волн цвета. Проще всего, конечно же, с теми, которые попадают в максимум чувствительности наших колбочек, — именно поэтому цвета радуги воспринимаются не одинаково: красный кажется ярче, а жёлтый как будто более блёклый. Но на самом деле всё ещё хуже, далеко не все цвета, которые мы видим, имеют определённую длину волны, т. е. являются чистыми цветами. Большинство цветов являются композитами — сложным набором многих длин волн, причём один и тот же цвет может быть представлен разной комбинацией длин волн. До тех пор пока отклик глаза одинаков, для нас цвет один, что бы ни было в спектре. 

Другой чувствительный элемент наших глаз — палочки — разительно отличается от колбочек. Во-первых, их больше, что-то около 100 миллионов. Во-вторых, они передают сигналы в мозг группами, по пачке на одну передающую клетку (в мозг идёт лишь около одного миллиона каналов на колбочки и палочки вместе). В-третьих, они в 100 раз более чувствительны, но гораздо медленнее в своей реакции. С палочками ассоциируют, прежде всего, сумеречное зрение. Когда освещённости на сетчатке не хватает, колбочки перестают давать сколько-нибудь полезный сигнал, и включаются палочки, которые обладают одним единственным максимумом чувствительности в сине-зелёной области спектра, из-за чего в сумерках относительная яркость цветных объектов, с нашей точки зрения, меняется. Красный превращается в чёрный, а зелёный, который изначально был бледнее красного, может теперь показаться гораздо более светлым. Чувствовать палочки могут даже отдельные фотоны. При увеличении интенсивности света чувствительное вещество палочек разрушается и восстанавливается лишь при новом снижении интенсивности. Хотя существует теория, что палочки имеют механизм вторичной чувствительности и вносят свой вклад в формирование цветов и при дневном свете. Основное расположение палочек, однако, — на периферийной области сетчатки, в центре же, в так называемом жёлтом пятне, палочек нет; там господствуют колбочки, которые отвечают не только за цвет, но и за резкость и скорость нашего зрения.

Каким образом мозг умудряется обрабатывать миллионы импульсов и получать столь сложные картины, — для меня загадка. Очевидно, «процессор» этот помощнее того, что в фотоаппарате, да и понадёжнее. Но и мозг можно обмануть. Резкие движения, быстрая смена изображений или набор узких, но редких спектральных линий может поставить мозг в тупик, и мы увидим неправильные цвета. В полутьме, когда ещё не ясно, работают ещё колбочки или уже палочки, мы и вовсе легко можем спутать цвета. В такой сложной системе удивление вызывает тот факт, что кривые чувствительности наших глаз абсолютно одинаковы, если только у нас нет болезни зрения.