Gamma č. 051 (Výpravy do mikrosvěta (IX.))

V sedmém a osmém čísle Mikrosvěta jsme se zabývali elektromagnetickým zářením a ukázali si, že součástí jeho vlnového rozsahu je i viditelné světlo. V souvislosti s tím může být ještě zajímavé podívat se na fyzikální podstatu pojmu pojmu barva. Barva světla je dána jeho vlnovou délkou a pohybuje se od červené na 960 nanometrech přes oranžovou, žlutou, zelenou, modrou až k fialové na 380 nm. Bílé světlo pak je směsí všech těchto čistých spektrálních barev.

Lidské oko, přesněji jeho sítnice, obsahuje dva druhy světločivných buněk: tyčinky a čípky. Tyčinky dokáží rozpoznat vlnovou délku dopadajícího světla a rozeznávat tak barvy; potřebují však k tomu poměrně vysokou intenzitu osvětlení a fungují proto jen při denním nebo přiměřeně silném umělém osvětlení. Naproti tomu čípky dokáží registrovat jen intenzitu světla [=počet dopadajících fotonů] bez rozdílu vlnových délek, tj. vnímají scénu černobíle v odstínech šedi od černé po bílou. Na rozdíl od tyčinek však čípky vystačí s velmi malou intenzitou světla; při slábnoucím osvětlení proto nervová síť oka postupně opouští zpracování ?signálu? z tyčinek a postupně přechází na příjem obrazové informace od čípků, které jsou naším nástrojem nočního vidění. To je důvod, proč v šeru a ve tmě nevidíme barevně.


Každé těleso vyzařuje fotony, jejichž vlnová délka je nepřímo úměrná jeho teplotě: čím teplejší těleso, tím kratší vlnová délka, přesněji její dolní mez, protože těleso vyzařuje vždy směs fotonů o různých vlnových délkách až po tu nejkratší, která je dána maximem energie fotonů čili teplotou tělesa. Pokud tedy těleso zahříváme, vyzařuje nejprve v neviditelných oborech elektromagnetického záření, pak se přidává tepelný infračervený obor, těleso začíná sálat, při teplotě řádově stovek stupňů horní mez energie přechází do viditelného světla a těleso začíná rudnout. Při dalším zahřívání se přidávají další barvy - oranžová, žlutá atd., ale barva žhnoucího tělesa se mění jinak, protože je tvořena směsí všech postupně přidávaných barev. Když proto teplota tělesa dosáhne hodnoty odpovídající fialové barvě fotonů, barva tělesa není fialová, ale bílá - směs celého spektra. Tento průběh platí v přesné podobě pro takzvané absolutně černé těleso, které neodráží žádné dopadající světlo; je však zhruba stejný i u ostatních těles, jejichž barva v rozžhaveném stavu v podstatě nezávisí na barvě, kterou těleso má při nízké teplotě.


Slunce představuje z fyzikálního hlediska absolutně černé těleso, protože jeho povrch má nulovou odrazivost. Září zhruba podle výše uvedeného schématu; intenzita jeho záření však ve viditelném oboru není rozložena rovnoměrně, ale vykazuje maximum v oblasti žluté barvy, proto se nám sluneční světlo jeví mírně nažloutlé, nikoliv bílé.


Za normálních okolností jsme zvyklí pozorovat předměty v tomto nažloutlém slunečním (denním) světle; osvětlené těleso má pak takovou barvu, jakou část slunečního spektra odráží [obvykle většinu viditelného světla pohlcuje a jen malou část odráží - a tato odražená složka pak určuje jeho barvu, jak ji vnímáme očima]. Pokud proto ze slunečního spektra těleso odráží například vlnovou délku 420 nm (případně plus minus pár nanometrů na obě strany), tj. modré světlo, pak takové těleso vnímáme v denním osvětlení jako modré. Zajímavá situace vzniká, když je těleso ozářeno světlem, jehož složení neodpovídá slunečnímu spektru (různé průmyslové výbojky a zářivky, diskotéková světla a podobně). V takovém případě má pak odražené světlo jiné složení než při osvícení slunečním světlem a těleso zdánlivě získává jinou barvu, často výrazně odlišnou od původní.


Situace je však komplikovanější tím, že zpracování obrazové informace probíhá v nervové soustavě na několika úrovních: nejprve příjem vlastního fyzikálního (optického) signálu čípky/tyčinkami a jeho převod na elektrochemické nervové signály, pak vytvoření neuroelektrické podoby obrazu (přiřazení jednotlivých prvků obrazu nervovým buňkám a okruhům), poté analýza optické charakteristiky obrazu (barev a odstínů), pak objektová syntéza scény (tohle je kruh, tamto trojúhelník a tohle člověk, podle podoby tváře Franta) a nakonec sémantické [významové] vyhodnocení obrazu (tenhle kvádr je kůlna na dříví - momentálně nepodstatná informace; zato támhleten obrys je autobus, podle diferenciální analýzy měnící se vzdálenosti jedoucí dost rychle přímo na mě - nebezpečí, životně důležitá informace, aktivace center pudu sebezáchovy, úniková reakce, série pokynů pro motorická centra ovládající svaly nohou, atd.) To vše jsou mimořádně složité procesy, jejichž detaily ani celkové souvislosti nebyly dodnes plně pochopeny; pro naši úvahu o barvách tady stačí poznamenat, že ve třetí fázi této analýzy (vyhodnocení fyzikální charakteristiky obrazu) dochází mimo jiné k porovnání získané optické informace s dřívější zkušeností. Zjistíte-li proto, že váš kamarád má na sobě na diskotéce svůj starý známý červený svetr, který v osvětlení ?barevnou hudbou? najednou vypadá trochu do oranžova, příslušná centra pro zpracování vizuální informace ve spolupráci s paměťovými obvody učiní na nevědomé úrovni závěr - ?ten svetr byl odjakživa červený, a jestli se teď zdá, že má jinou barvu, je to optický klam; na úroveň vědomého vnímání předat informaci o červené barvě?. Na vědomé hladině pak díky této ?korekci? vidíte těleso v jeho původní, ?správné? barvě, přestože samo oko už ho čistě fyzikálně vidí trochu jinak. Jestliže se však barva známého objektu jeví už příliš odlišná, pak se podvědomé, základní optické obvody vzbouří proti zkušenosti, ?přehlasují? paměťová centra a výsledkem analýzy je závěr - ?ať už tenhle svetr dřív vypadal jakkoliv, teď je z nějakých důvodů prostě oranžový, a basta?.


Dosud jsme mlčky předpokládali, že osvětlený povrch je nevyhlazený a odráží světlo rozptýleně, tj. že na něm přesně neplatí optické pravidlo ?úhel odrazu rovná se úhlu dopadu?. Pokud je však povrch hladký a zmíněná podmínka splněná je, dostaneme zrcadlo, které zachovává podobu dopadajícího obrazu. Zrcadlo může být čiré (barevně neutrální - pak odráží barvy beze zněny a samo se jeví bezbarvé) nebo barevné (např. metalyzovaný povrch automobilové karosérie - potom má samo nějakou konkrétní barvu a veškeré odražené světlo zkresluje tímto svým odstínem).


Některá tělesa (sklo, plexisklo, tenká tkanina, ...) jsou průsvitná; tady opět mohou nastat různé případy. Z hlediska barvy je těleso čiré (bezbarvé), pak procházející světlo barevně nezkresluje; nebo je těleso zbarvené, a funguje jako barevný filtr, tj. jeví se v té barvě, která jím prochází (na rozdíl od neprůsvitného tělesa, které vidíme v barvě, která se od něj odráží). U průsvitného tělesa dále záleží na tom, jakým směrem jím světlo prochází. Pokud při průchodu nedochází ke změně směru, je těleso průzračné (jako okenní sklo); pokud se světlo při průchodu rozptyluje, vystupuje z něj různými směry a dochází v důsledku toho k rozmazání nebo úplné ztrátě obrazu, mluvíme o matném tělese. Barva odraženého a procházejícího světla je u většiny průsvitných materiálů stejná, ale nemusí tomu tak být vždycky; barva tělesa se pak může lišit podle toho, zda světlo přichází zpředu nebo zpoza něj. Navíc může barva záviset i na úhlu dopadu nebo průchodu: ve velmi tenkých optických vrstvách (vrstvička oleje na vodě, mýdlová bublina, prvky obrazovky notebooku apod.) dochází k interferenci neboli vícenásobnému odrazu a zesilování těch vlnových délek, které jsou celočíselným násobkem tloušťky vrstvy. Když tloušťka vrstvy spojitě roste nebo klesá, mění se v závislosti na tom i vlnová délka vícenásobně odráženého světla, takže se pak na osvětlené ploše příslušně posouvá i barva a vznikají duhové obrazce.

(pokračování příště)

Dopisy čtenářů

Karpoň:

V přehledu elektromagnetického vlnění jsi zapomněl na snad nejvíce používaný obor ležící mezi 4 až 18 GHz [2-8 cm, pozn. JP] a dneska i dále asi tak do 60 GHz [shora do 0.5 cm, pozn. JP] ? satelitní komunikaci všeho druhu. Od telefonu a internetu k televizním přenosům distribučních společností až po příjem "satelitu" doma na okně.

No vida, tak jsem nakonec přehlédl hlavní aplikaci frekvenčního pásma, na kterém k vám přilétá i toto zmatené povídání :-) díky za připomínku, Honzo, a pokud mě kdokoliv z vás přistihne při podobném opomenutí, neváhejte se ozvat, víc hlav víc ví. Zmíněné frekvence původně patřily pouze do pásma centimetrového radaru, ale jak je vidět, s postupujícím technickým vývojem se jejich využití rozšířilo.

Redakční poznámky

Když už jsme u těch nedostatků, tak pro přesnost ještě jedna oprava ? rychlost světla ve vakuu není 299 997 km/s, jak jsem minule napsal ze své děravé paměti, ale správně cca 299 792 km/s. Budete-li si ovšem pamatovat zaokrouhlených 300 000 km/s, určitě s tím vystačíte pro všechny praktické účely.

A jelikož jsme tento týden překročili kulatou padesátku, pro ty čtenáře, kteří se snad obtěžují si jednotlivá čísla schovávat, přikládám přehled dosavadních témat (GammaInd.doc).

Vítám mezi námi další nové členy ? Janu Kl., Janu Ku. a Evu+Honzu V., a přeju vám všem příjemné čtení a pěkný víkend.