Загадки света. Чем дальше, тем непонятнее

Есть такое правило: хочешь в чём-то разобраться – начни это преподавать. Мне всегда казалось, что со времён прочтения Бриттона (Бриттон Г. Биохимия природных пигментов. М.: Мир, 1986. – 422 с.) мне с природой цвета и света в целом всё ясно и понятно. Пока не решил написать про это совсем популярные, на «детском» уровне заметки. И в процессе написания этих, казалось бы, совершенно простецких заметок вдруг выяснилось, что «Хьюстон, у нас проблемы». В общем, в отличие от первых заметок здесь я буду не объяснять просто и наглядно, а, наоборот, обращать внимание как раз на то, с чем разобраться не смог и что вызывает у меня сомнения и трудности.
 
1. Похоже на то, что словами «комплементарные цвета» в физике света и в колористике обозначают совершенно разные вещи. В физике (ну, по крайней мере, если следовать классической книжке Г. Бриттона) «комплементарным цветом» называется цвет, наблюдающийся после исключения света определённой длины волны из белого света (с. 11). И здесь мы приведём очень важную картинку из книжки Бриттона, которая обозначена в ней как «Рис. 1.2».
 
Совершенно другое, по крайней мере, с точки зрения формулировки, определение даётся в колористике. Впрочем, насколько мне удалось понять, в колористике на этот счёт вообще царит хаос. В некоторых случаях под  «комплементарными цветами» вообще понимается что-то из мутного мистицизма и гуманитарных рассуждений об «эстетическом восприятии» и «борьбе света и тьмы». В эту ересь, восходящую к Гёте и получившую завершение в т.н. «цветовом круга Иоханнеса Иттена» (система RYB, основанная на «основных цветах» – красном, жёлтом и синем), мы вникать не будем, но будем иметь в виду, что она существует и порой усиливает путаницу, в частности, именно от неё проистекает весьма популярное, по при этом ложное мнение о комплементарности красного и зелёного. В других случаях под комплементарными цветами понимают цвета наиболее контрастные с точки зрения человеческой физиологии зрения. Это штука уже вполне научная, но не она нас сейчас интересует. И, наконец, то, что нас на самом деле интересует – это дополнительные цвета, которые при смешивании дают воспринимаемый ахроматический цвет (условно белый в аддитивной модели смешения световых лучей и чёрный в субстрактивной модели смешения красок, в реальности же – оттенки серого).
 
Что нам здесь важно? То что определение «комплементарного цвета» по Бриттону и «дополнительных» или «взаимодополнительных» цветов в колористике содержательно не совпадает. Как минимум, не совпадает в том, что касается физического состава длин волн. В определении Бриттона, как мы видим, существенно то, что комплементарным называется цвет, полученный «вырезанием» света определённой длины волны из белого света. То есть физически он представлен фотонами всего видимого спектра за вычитанием какой-то узкой полосы (в реальности у природных пигментов эта полоса на самом деле как раз всегда довольно широка, зато и удаляется не полностью, а лишь ослабляется, то есть поглощаются не все фотоны соответствующих длин волн, а лишь часть их, при этом широкая полоса частичного поглощения имеет один или несколько максимумов). В колористическом определении речь вообще не идёт о том, из каких именно фотонов (только определённой длины волны в узком диапазоне или, наоборот, всех, кроме определённой длины волны) свет составлен. Речь идёт только о его итоговом восприятии. Но совпадают ли «комплементарные» цвета Бриттона с «комплементарными» («дополнительными») цветами колористики в смысле цветового круга RGB и CMYK или цветовой модели HSV (она же HSB) хотя бы в смысле итоговых тонов?
 
2. Давайте внимательно проанализируем тот самый Рис. 1.2 из книги Бриттона. Рисунок, как мы помним, показывает нам «комплементарный» цвет, получающийся из полного белого «вычитанием», а в реальности лишь «приглушением» (ведь любое поглощение не полностью исключает ту или иную часть спектра, а лишь снижает долю волн соответствующей длины) той или иной полосы. Следуя рисунку, при уменьшении содержания в белом свете фиолетового компонента мы получим цвет, который глазом будет восприниматься как лимонно-желтоватый (жёлтый, максимально далёкий от оранжевого). Уменьшим содержание синего – получим яично-жёлтый, близкий к границе с оранжевым. Убавим голубой – получим оранжевый (но оранжевый, скорее ближе к жёлтому, чем к красному). Убавим зелёный – получим оранжево-красный. Убавим жёлтый – получим красно-пурпурный. Убавим оранжевый – получим пурпурно-синий. Убавим красный – из рисунка не ясно, что получим, воздержимся от фантазирования. Видите странность? Законы, аналогичные законам арифметики, тут, похоже, не работают. Белый минус голубой – равно оранжевый. Но белый минус оранжевый – равно пурпурно-синий, а не голубой. А ещё, нельзя, к примеру, вырезав или убавив в суммарном белом какую-то одну полосу, получить в качестве комплементарного цвета зелёный. А вот, наоборот, вырезать зелёный и получить комплементарный оранжево-красный – можно! И, действительно, самый знаменитый зелёный пигмент (точнее говоря, целая группа пигментов) – хлорофилл, создаёт ощущение зелёного цвета тем, что поглощает одновременно и в синем, и в красном диапазоне с двумя выраженными максимумами. Иными словами, хлорофилл «подъедает» сразу оба края видимого спектра, оставляя от белого в основном только его зелёную «серединку». Итак, первый вывод: в бриттоновской системе комплементарность не взаимна и не симметрична! Комплементарный голубому – оранжевый, но комплементарный оранжевому – сине-пурпурный!
 
В колористике, же, дополнительность ВСЕГДА по определению строго симметрична и взаимна и определяется диаметрально противоположным расположением цветов на цветовой окружности. Так, дополнительным к красному является циан (сине-зелёный, «цвет морской волны»), дополнительным к зелёному – пурпурный («маджента»), дополнительным к синему – жёлтый.
 
Итак, бриттоновский ряд комплементарных цветов не имеет чёткого и полного соответствия с системой дополнительных цветов, хотя, на первый взгляд, казалось бы, должен был совпадать. Ведь вроде как речь идёт об одном и том же – сложении и вычитании цвета. Но не совпадает! А, точнее говоря, частично совпадает, а частично – нет. Например, комплементарность лимонно-жёлтого фиолетовому  почти соответствует колористическому цветовому кругу (не в точности, но с приемлемым приближением). Комплементарность яично-жёлтого синему – соответствует точно и буквально. Комплементарность оранжевого зелёно-голубому уже колористическому кругу соответствует не вполне: в колористике зелёно-голубой лежит напротив красного, а напротив оранжевого располагается грань голубого с синим. Комплементарность красного жёлто-зелёному с точки зрения колористики уже вообще «ни в какие ворота не лезет», как и пурпурного – жёлто-оранжевому.
 
Не будучи профессиональным специалистом ни в физике света, ни в химии пигментов, не готов сказать уверенно, в чём тут дело, но могу сделать осторожное предположение. Колористический круг (не важно, в данном случае, будь то в системе RGB или CMYK) потому и является кругом, что замкнут с обеих сторон: по нему можно непрерывно двигаться хоть по часовой стрелке, хоть против. Это значит, среди прочего, то, что в нём есть непрерывный переход от красного к фиолетовому и синему через промежуточный между ними пурпурный. На уровне спектрального разложения видимого света по длине волны реальность совершенно иная: никакого кругового перехода между красным и фиолетовым через пурпурный не существует. Реальный видимый спектр с точки зрения длин волн – это не замкнутая окружность, а разомкнутая прямая линия. Коротковолновый край фиолетовой полосы в физической реальности длин волн граничит не с пурпуром, а с невидимым для нас ультрафиолетом. Равно и длинноволновый край красной полосы граничит с инфракрасным тепловым излучением. Поэтому пурпурный цвет (от же маджента) на рисунке 1.2 присутствует среди комплементарных цветов, но отсутствует среди «чистых». Я подозреваю, что именно этот факт, во-первых, нарушает симметрию и взаимность комплементарности в бриттоновской картинке (в самом деле, какая уж тут взаимность, если у вас появился цвет, который в нижнем ряду есть, а в верхнем его нет и быть не может!), а, во-вторых, является причиной (или, возможно, одной из причин) несоответствия «физико-химического» понимания комплементарности цвета колористическому, где о реальных длинах волн вообще не идёт речи.
 
3. Пару слов стоит сказать о понимании «чистых» и «смешанных» цветов в физике света и в колористике. Оно тоже совершенно разное. В колористике все цвета на цветовой окружности в принципе равноправны, и выбор того, какие из них считать «чистыми», а какие «смешанными» – есть исключительно вопрос условного соглашения, а не какой-либо объективности. Однако при этом есть свои ограничения. Во-первых, поскольку цветовой круг или цветовая окружность задаются на плоскости, то для задания координат нам нужны три точки. Не важно каких, но важно, чтобы их было три, потому что только тремя точками, расположенными не на одной прямой задаётся плоскость. Во-вторых, три цвета, условно выбираемых на цветовом круге в качестве «основных» или «чистых» должны располагаться на равных расстояниях друг от друга, иными словами – образовывать равносторонний треугольник. Этот равносторонний треугольник, вписанный в цветовую окружность, можно вращать как угодно, но он должен при этом оставаться равносторонним. Именно в этом причина того, что модель RGB и модель CMYK, хотя и принимают за «чистые» или «основные» цвета разные точки, но при этом обе работают и, в сущности, легко взаимозаменимы. А вот модель RYB, основанная на мистике Гёте и «круге Иттена» – не работает и объективно вносит в колористику искажения. Не потому, что жёлтый «объективно» не является «чистым» или «первичным» цветом в каком-то мистическом и метафизическом смысле, а только и только потому, что он не образует равностороннего треугольника с синим и красным в цветовом круге, отражающем реальную взаимодополнительность в смысле ахроматичности при смешении. И наоборот, если искусственно нарисовать такой треугольник равносторонним и построить цветовой круг вокруг него, по противоположные пары цветов на нём (например, красный и зелёный) не будут друг другу дополнительными в смысле ахроматичности при смешении. Иными словами, некоторые цветовые сектора окружности окажутся искусственно растянутыми, а другие – необоснованно сжатыми, и весь круг, тем самым, утратит содержательную информативность и создаст совершенно ложные представления о цветовой комплементарности. Итак, с точки зрения колористики, «чистые» цвета – это любые три произвольно выбранные цвета, равноудалённые друг от друга на неискажённой цветовой окружности и образующие, тем самым, равносторонний треугольник. Все остальные цвета относительно этой тройки могут быть описаны как результат смешения этих трёх в той или иной пропорции.
 
В физике света понимание чистого цвета совершенно иное. Здесь «чистым» является цвет, полученный разложением белого света на спектр  и выделением из него полосы той или иной ширины, соответствующей определённому диапазону длин волн. В этом смысле «чистым» цветом может быть не только красный или синий, но и зелёно-зелёно-жёлтый, если он составлен фотонами с более или менее одинаковой длиной волны. Смешанным же будет цвет, составленный смешением, в том или ином соотношении, фотонов с разными длинами волн. Например, направив на один и тот же участок белого экрана красный и зелёный лучи, полученные разложением белого света призмой, мы получим цвет, зрительно неотличимый от чистого жёлтого, но фактически представленный световыми волнами красного и зелёного диапазона. С колористической точки зрения он ничем не отличается от «истинного» жёлтого, но с точки зрения физической реальности представлен электромагнитными волнами другого диапазона. В физическом смысле такой цвет будет смешанным, хотя зрительно он неотличим от чистого цвета того же тона.
 
4. Наконец, при перечитывании книги Бриттона я заметил одну нестыковку, на которую не обратил внимание при первом прочтении. Очевидно, дело опять же в том, что в первый раз просто читал, конспектировал и запоминал, а во-второй – пытался «пересобрать» информацию для собственного рассказа. И вот, например, на с. 45 читаем, что ликопин в видимом диапазоне имеет три максимума поглощения, соответствующие длинам волн 444, 470 и 505 нм и обладает «характерной оранжевой окраской». Но на с. 53 читаем, что ликопином окрашены красные плоды томата. Да, на самом деле помидоры бывают самых разных цветов и оттенков от лимонно жёлтых до тёмно-бурых, но ликопин – это красный пигмент. Это, например, пигмент, придающий окраску мякоти зрелого арбуза. В экстрагированном и очищенном виде он имеет красно-кирпичную окраску, никак не оранжевую. Между тем, его максимумы поглощения соответствуют: 444 нм – границе фиолетового и синего, 470 нм – синему цвету и 505 нм – голубому, близко к границе с зелёным, краешком своей кривой поглощения он также заходит в зелёный диапазон, примерно до его половины, но в этой части спектра его поглощение имеет невысокую интенсивность. Таким образом, если усреднить максимумы поглощения, то такой усреднённый максимум поглощения у ликопина окажется в синей части спектра или на границе синего и голубого. С точки зрения соответствия поглощаемого света и комплементарного цвета, приводимого Бриттоном на Рис. 1.2 (с. 11), такое «подъедание» света в синем и голубом диапазоне должно было бы придавать ликопину жёлто-оранжевый цвет, но не кирпично-красный. Почему же мякоть арбуза (экзотические жёлтые сорта сейчас не рассматриваем) всё-таки красная, а не оранжево-жёлтая? Один из возможных ответов состоит в том, что его максимумы поглощения измерены в растворителе, существенно смещающим спектр поглощения относительно нативного состояния. На с. 45-46 показано, насколько сильно выбор растворителя при экстракции пигмента влияет на его светопоглощающие свойства. Также (рис 2.9 и с. 48-49) в принципе свой вклад в смещение спектра поглощения может вносить цис-транс изомерия. Впрочем, не в случае ликопина: во-первых, в растениях (в том числе в помидорах и арбузах) он в любом случае синтезируется только в виде полностью-транс-изомера, а, во-вторых, даже чисто теоретически его поли-цис-изомер по сравнению с полностью транс-изомером должен был бы быть не «более красным», а «более жёлтым», поскольку поглощение смещено в более коротковолновую область. Таким образом, нестыковка максимумов поглощения ликопина с его красным цветом остаётся, и возможность объяснить её смещением спектра в растворителе – это пока лишь неподтверждённое предположение.
 
Та же проблема, кстати и с бета-каротином. Он также имеет кривую поглощения с тремя максимумами, усреднённое значение которых оказывается примерно на границе синего и фиолетового, что в соответствии с рис. 1.2 должно было бы дать жёлтый цвет, причём ближе к лимонному оттенку. Между тем, как известно, обычная морковка (опять-таки, не берём в расчёт экзотические сорта) – оранжевая, хотя окрашена она как раз смесью альфа- и бета-каротина. И плод абрикоса, окрашенный преимущественно бета-каротином – тоже оранжевый.
 
Кстати, если попробовать вместо шкалы соответствия исключаемых и комплементарных цветов из рис. 1.2 книги Бриттона (допустив, что в ней может содержаться некая ошибка) использовать цветовой круг и по нему найти дополнительные цвета к усреднённым максимумам поглощения ликопина и бета-каротина, то ситуация не измениться: кирпично-красный в реальности ликопин должен был бы получиться оранжевым, а оранжевый в реальности бета-каротин – лимонно-жёлтым.
 
Итак, по ходу того, как я готовил свои популяризаторские заметки, я обнаружил три логических нестыковки: 1) несимметричность («невзаимность») исключаемого и комплементарного ему цвета на рисунке 1.2 книги Бриттона, 2) несоответствие комплементарных цветов по Бриттону дополнительным цветам в системе RGB, CMYK или любой другой, в которой смешение дополнительных цветов даёт ощущение ахроматического тона, и 3) несоответствие реального цвета ряда пигментов, тому, который должен был бы получиться, исходя из указанных в книге Бриттона максимумов их поглощения и шкалы соответствия поглощаемых и комплементарных цветов. Ни для одного из этих трёх несоответствий у меня нет надёжного и уверенного объяснения. Для первых двух я могу осторожно предположить, что дело тут в несоответствии колористической модели замкнутой непрерывной цветовой окружности, отражающей наше субъективное цветовосприятие, реальному физическому линейному распределению цветов по длинам волн соответствующего им электромагнитного излучения. Для третьего противоречия я могу столь же осторожно предположить, что, возможно, дело может быть в сдвиге спектра поглощения пигментов растворителем в ходе их экстракции по сравнению с естественным природным состоянием, в котором они находятся в плодах и корнях.