Per quali ragioni vediamo i colori?

Le cause fisiche che stimolano la nostra percezione dei colori

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Il colore non dipende dall’oggetto
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© Thomas Hawk

Ciò che noi chiamiamo colore non è una qualità inerente ad un oggetto, e nemmeno ha strettamente a che fare con la caratteristica della luce che illumina quel soggetto, così come non dipende dai nostri occhi né dall'angolo che la luce forma muovendosi sulla scena.
Benché il colore possa essere in parte descritto come un'interazione fra gli elementi appena citati, per spiegare perché vediamo un certo colore c'è molto di più da prendere in considerazione.
E la parola chiave qui è "vediamo", così come vediamo i sogni nel cuore della notte...

Si attibuisce in genere la percezione di un colore all'elaboraborazione dei segnali luminosi che giungono al nostro occhio, dopo che un fascio di luce bianca ha rimbalzato su un oggetto e questi ha trattenuto alcune lunghezze d'onda, lasciando arrivare sino a noi solo il colore in questione.
Non è vero.
O meglio, è vero solo in parte: la storia è assai più complicata e variegata.

Una prima cosa è certa: la percezione di un colore (come anche solo di un certo livello di luminosità) dipende dalla nostra elaborazione della luce che giunge agli occhi. Soggetti daltonici, ad esempio, vedono tinte diverse rispetto al resto della popolazione1

Offrire una spiegazione completa e soddisfacente di come e perché noi vediamo i colori esula dall'intento di questa breve paginetta: per quanto ne sappiamo si tratta di un argomento ancora oggi poco definito anche tra gli esperti della materia. In altre parole: le vere ragioni per cui noi vediamo (leggi: la nostra mente vede) i colori non ci sono per nulla chiare.

Di certo occorre considerare che non sono solo gli stimoli fisici esterni, ossia la luce, a farci vedere determinati colori, bensì un'interazione molto complessa che coinvolge anche i fotorecettori della retina ed il nostro sistema neurocerebrale.2

Quanto ci limitiamo ad illustrare brevemente qui di seguito sono le principali ragioni per cui determinate lunghezze d'onda luminose raggiungono i nostri occhi (oppure l'apparecchio fotografico): pur senza entrare in dettagli scientifici (non ne saremmo all'altezza) abbiamo confidenza che qualcosa potrà risultare nuovo e sopratutto utile da sapere quando si scattano fotografie.

Papavero della California
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© David Yu


La luce bianca

La luce è un'onda elettromagnetica con lunghezze che variano dai 400 ai 700 nanometri circa.3 Lunghezze d'onda inferiori o superiori non sono visibili ai nostri occhi e sconfinano rispettivamente nel campo dell'infrarosso e dell'ultravioletto.

Spettro delle lunghezze d'onda visibili

La luce bianca è quella che ci illumina nella media delle condizioni diurne: contiene in varie proporzioni un miscuglio di tutte le lunghezze d'onda e viene considerata l'illuminazione normale.4

La luce bianca del giorno contiene tutti i colori dello spettro
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© Chris Ford


È facile separare le varie componenti cromatiche di un fascio di luce bianca facendolo attraversare un prisma, che rifrange le singole lunghezze d'onda verso percorsi diversi.
Tuttavia sono altre, di norma, le ragioni per cui ci pare di scorgere questo o quel colore:




Assorbimento

E' il caso più generalmente conosciuto di visione dei colori: tutte le lunghezze d'onda della luce incidente sono assorbite da un certo pigmento fatte salve quelle che daranno origine alla sensazione cromatica, le quali sono invece riflesse e giungono quindi ai nostri occhi.

Pupazzetti di panno colorato
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© Paula Izzo


Il colore per assorbimento si osserva sia in luce trasmessa che in luce riflessa.
È l'esempio tipico dei filtri colorati per fotografia.

Filtri colorati
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Anche l'acqua agisce da filtro. Sebbene l'effetto non sia visibile con quantità modeste di liquido, di fronte a masse consistenti come mari o laghi il fenomeno diviene evidente.
Vedi per questo ache la nostra piccola introduzione alla fotografia digitale subacquea.

Rifrazione

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Immagine di Lucas V. Barbosa

Le diverse lunghezze d'onda della luce bianca, rifratte da un prisma, da un vetro molato o da goccioline d'acqua, vengono scisse e disperse, risultando visibili singolarmente. Si spiegano così i colori dell'arcobaleno5.

L'immagine qui a lato evidenzia come un prisma rifrange la luce; notare come il rosso abbia una maggior lunghezza d'onda del viola, e come il raggio viola sia più piegato rispetto al rosso.

Eccitazione elettrica

Insegna al neon
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© Anthony Easton

In certi casi i mutamenti della struttura atomica della materia liberano energia sotto forma di radiazioni visibili: è il caso dei tubi al neon, allo xenon, all'argon e simili, in uso ad esempio per le insegne pubblicitarie. Ioni di gas sono attratti dal catodo del tubo e cozzano contro altri atomi di gas, staccando nell'urto alcuni elettroni che vengono a loro volta attirati a gran velocità dall'anodo: accade che alcuni di questi elettroni ad alta energia si inseriscano in atomi privi di un elettrone, liberando energia sotto forma di luce, la cui lunghezza d'onda (ossia il colore) dipende dal gas adoperato.

Interferenza

Macchia d'olio
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© Jasper Nance

Per la colorazione delle chiazze d'olio e delle bolle di sapone, così come delle ali di certe farfalle iridescenti come la Morpho rhetenor6 è responsabile l'interferenza da film sottili: ossia la luce riflessa dalla prima superficie della pellicola interferisce con quella riflessa dalla seconda superficie; se due onde di una medesima lunghezza risultano in contrasto di fase si annullano vicendevolmente, mentre e se sono sincronizzate si rafforzano ed il colore corrispondente è chiaramente visibile.
Che l'interferenza sia costruttiva o distruttiva dipende dalla differenza di fase, determinata da più fattori: la lunghezza d'onda della luce, l'indice dì rifrazione e lo spessore della pellicola, nonché gli angoli di incidenza della luce.7
Anche gli anelli di Newton sono dovuti ad un fenomeno di interferenza: si verificano ad esempio quando le superfici di due vetrini sono separati da uno strato d'aria molto fino, nell'ordine di grandezza della lunghezza d'onda della luce.

Riflessione speculare

Immagine di Barbara Scerbo giocata sulla riflessione speculare
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© Barbara Scerbo

Molto spesso, più di quanto ci rendiamo conto, il nostro sguardo si posa su riflessioni speculari: sono la tipica riflessione degli specchi e delle superfici levigate, così come delle superfici d'acqua o di altri liquidi.

Schema della riflessione speculare
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Nella loro essenza migliore i riflessi speculari restituiscono completamente nei raggi di luce emergente le caratteristiche della luce incidente: angolo di riflessione e composizione spettrale rimangono identici.
I colori vengono quindi restituiti interamente.

Riflesso selettivo

Moneta d'oro
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La luce riflessa specularmente conserva di norma la componente spettrale d'origine (e quindi il colore). Determinati materiali8 tuttavia, generano riflessioni speculari selettive, per cui la luce riflessa è specificamente colorata. Una caratteristica interessante dei colori generati da una riflessione selettiva è che sono diversi dai colori visibili per luce trasmessa dallo stesso materiale: una lamina d'oro sottilissima se vista in trasparenza appare verde. Questo è dovuto al fatto che alcune componenti cromatiche (qui il giallo ed il rosso) sono appunto riflesse selettivamente, altre (qui l'azzurro) sono assorbite dal materiale, ed il resto è trasmesso (qui il verde).9

Diffusione

Ecco perché le albe sono rosse e le prospettive aeree di Leonardo (vedi la Gioconda) sono azzurrine. La luce che attraversa lo spazio, incontrando particelle minute in sospensione, viene deviata in misura infinitesimale, e se la dimensione delle particelle è uguale a quella della lunghezza d'onda luminosa, la deviazione è selettiva: le lunghezze d'onda più brevi sono più sensibili allo scattering delle altre; in questo modo le goccioline (discretamente grosse) delle nubi diffondono la luce come se fossero dei pannelli, mentre il fumo di sigaretta, il latte (diluito) e il cielo sereno sono azzurri, mentre i tramonti sono rossi perché lo spesso strato di atmosfera diffonde quasi del tutto le componenti della luce solare, e l'unica che riesce a penetrare è quella calda.

Tramonto sul Pacifico
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© David Yu


Eccitazione ultravioletta

Minerali fluorescenti
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© Hadley Paul Garland

La radiazione ultravioletta, invisibìle ai nostri occhi, è in grado di modificare la struttura atomica di alcune sostanze, stimolando un'emissione di energia sotto forma di luce. Questa proprietà, specifica di alcune sostanze, di assorbire radiazioni elettromagnetiche nel campo dell'ultravioletto e di riemetterle nel campo del visibile (tipicamente nella banda del blu e del verde) è nota come fluorescenza.10

Sostanze note come sbiancanti o azzurranti ottici sono molto diffusi nell'industria della carta ed in quella dei saponi per lavatrice: assorbono la componente ultravioletta della luce diurna, ossia quella con una lunghezza d'onda inferiore ai 380 nm e quindi a noi invisibile, e la riemettono con una lunghezza d'onda superiore, nel campo del visibile. I materiali su cui sono adoperati sbiancanti ottici (tipicamente stoffa e carta) appaiono quindi avere una luminosità aggiunta, sembrano più bianchi (o comunque meno gialli).
Si tratta di un "inganno" per la nostra mente che però non sfugge agli strumenti di rilevazione: anche gli apparecchi fotografici non si fanno imbrogliare ed il risultato, se si fotografano ad esempio vestiti intrisi di sbiancanti o azzurranti ottici (vedi ad esempio i vestiti da sposa) sarà una resa cromatica spesso sbilanciata verso il blu.


Diffrazione

Ecco come si spiega l'iridescenza dei microsolchi di un disco in vinile nero: la luce è riflessa dalle creste dei solchi e creste adiacenti appaiono di un certo colore se viste da un dato angolo, in rapporto al rafforzarsi di una specifica lunghezza d'onda e all'annullarsi per contrasto di fase di altre lunghezze; ovviamente mutando l'angolo di incidenza della luce, oppure l'angolo di osservazione, cambiano i colori che si possono considerare in fase e quelli sfasati.11

Iridescenza su un disco in vinile


Una nota sulla visione retinica

Rosso Giallo Blu
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© Michael Newman

Ricordiamo come, anche l'occhio umano (e non solo il sensore o la pellicola fotografica) viene impressionato particolarmente da tre soli colori: rosso, giallo-verde, blu; ad essi reagiscono tre classi di coni, cellule della retina sensibili alla luce e responsabili, assieme ai bastoncelli (che sono invece sensibili ai diversi livelli e sfumature di luminosità), della nostra visione.
La sensibilità specifica ai colori primari del nostro apparato visivo corticale è anche sostenuta da elementi indiretti: esperimenti hanno ad esempio confermato che la memoria dei colori è migliore per quelli primari.
La visione dei colori è un tema complesso, e sicuramente i sensori delle fotocamere (così come la pellicola fotografica) "vedono" i colori in maniera diversa dai nostri occhi.

A proposito della visione dei colori, e dei recettori della nostra retina, è interessante un effetto studiato da Johannes Purkinje, fisiologo boemo vissuto a cavallo fra il XVIII ed il XIX secolo.
In luce debole un particolare azzurro può essere più luminoso di un particolare rosso, mentre con una buona illuminazione la sensibilità relativa ai due colori può essere rovesciata12. In breve avviene che la visione in buona luce è affidata ai coni, mentre i più sensibili bastoncelli risolvono la visione con bassa illuminazione. Coni e bastoncelli non hanno però la stessa risposta spettrale. La risposta di picco dei coni è nel giallo (attorno a 0,56 micron) con una risposta molto più bassa nell'azzurro. La risposta di picco dei bastoncelli è nel verde (circa 0,50 micron), con una risposta molto più bassa nel rosso.
Cambiando il livello di luminosità cambia l'impiego dei recettori, e cambia allora la risposta relativa agli azzurri ed ai rossi.

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1 Questo tipo di patologie è molto più diffuso di quanto si creda: pur essendo certamente lieve, può creare problemi ad esempi alla guida o nell'uso dei computer. Ecco perché è buona pratica, ad esempio, rendere i link su internet sia in colore che sottolineati: chi non riesce per qualsiasi ragione a coglierne l'aspetto cromatico può almeno far leva sulla sottolineatura. In questo sito è possibile vedere delle simulazioni si visioni alterate in base a differenti patologie (mettere link).
Per provare la propria percezione dei colori: www.xrite.com/online-color-test-challenge.

2 Per chiunque voglia approfondire, segnaliamo un paio di articoli molto stimolanti di Edwin Land, oramai parte della storia sull'argomento: Experiments in Color Vision e The Retinex Theory of Color Vision. Fra tanta letteratura abbiamo scelto questi testi in onore all'autore, Edwin Land, prolifico inventore e fondatore della Polaroid.

3 Un nanometro equivale ad un milionesimo di millimetro.

4 Vedi anche: La luce bianca e i suoi colori.

5 La spiegazione dei colori dell'arcobaleno non è però così elementare come parrebbe; normalmente ci si limita a dire che i colori sono dati dalla separazione prismatica ad opera delle minuscole gocce d'acqua in sospensione; le diverse e lunghezze d'onda visibili subiscono una rifrazione diversa, in cui l'azzurro è più rifratto del rosso, così che i colori sono leggermente separati e distinguibili. Tuttavia è necessaria la teoria interferenziale per meglio interpretare il fenomeno: i colori dell'arcobaleno sono i picchi nell'interferenza della luce uscente dalle gocce d'acqua; i colori mutano al mutare delle dimensioni delle gocce.

6 Nella farfalla Morpho rhetenor il colore azzurro metallico è quindi strutturale: dipende dall'interazione fra la luce e la conformazione delle squame delle ali, le quali hanno numerosi solchi orizzontali, le cui superfici distano circa 0,22 micrometri: approssimiativamente la metà della lunghezza d'onda della luce blu, la quale interferisce costuttivamente. Il lato inferiore delle stesse ali è marrone e questa colorazione è invece dovuta ai pigmenti.

7 L'idea è stata adottata per misurare lo spessore di strati sottili e la dimensione delle molecole (adoperando strati monomolecolari).

8 Oro, rame, ottone, bronzo, ma anche alcuni insetti

9 In alcuni vecchi telemetri lo specchio era rivestito di un minimo strato d'oro, cosicché l'immagine vista attraverso lo specchio risulta verde e quella vista riflessa dallo specchio risulta giallo-rosso: la separazione visiva delle due immagini era d'aiuto nella messa a fuoco.

10 In breve: gli UV caricano di energia un elettrone della sostanza fluorescente, il quale salta in un'orbita maggiore, intercambiandosi con un elettrone che scende nell'orbita lasciata scoperta, liberando appunto energia luminosa.

11 Si adopera questo sistema per analizzare lo spettro luminoso di corpi celesti molto distanti: la luce è diffratta da un "reticolo di diffrazione" zeppo di microsolchi e poi fissata in fotografia.

12 http://en.wikipedia.org/wiki/Purkinje_shift

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