Отражение света поверхностью

Отражение световых лучей от поверхности подчиняется закону, открытому Ньютоном: угол падения луча равен углу отражения независимо от природы материала и длины световой волны. Падающий световой поток, состоящий из параллельных лучей, отражаясь от гладкой поверхности, тоже будет состоять из параллельных лучей и казаться как бы исходящим от этой поверхности. Поверхность, отражающая таким образом свет, называется блестящей.

Шероховатые тела отражают по такому же закону, что и блестящие. Однако их поверхность состоит из множества мелких поверхностей, расположенных под разными углами, свет, отражаясь от них в разных направлениях, рассеивается. Это ещё называется диффузным рассеянием света. Такие поверхности с разных точек зрения кажутся одинаковыми по светлоте, не имеют бликов и называются матовыми.

Индивидуальные способности поверхности сочетать рассеивание и прямое отражение света определяют её характер, фактуру. Мы можем сказать: металлический, алмазный, стеклянный, фарфоровый и т.д. блеск, разделяя их по едва уловимым признакам, которые почти не поддаются словесному определению.

Ахроматические цвета

Белый свет с точки зрения физики представляет собой световой поток, состоящий из волн различной длины. Разные поверхности встречают падающие на них лучи света с разной степенью «гостеприимства»: одни поверхности, например, поглощают коротковолновые и отражают длинноволновые лучи, другие – наоборот. При таком избирательном поглощении световых лучей поверхность приобретает определённую окраску, цвет. Но есть поверхности, которые более или менее равномерно поглощают и отражают лучи всех длин волн. Такое неизбирательное поглощение создаёт серые поверхности. Чем более неизбирательна поверхность, т.е. безразлично к длине волны будет больше отражать световых лучей, тем она будет белее, и наоборот, чем меньше, тем чернее.

Поверхности, равномерно отражающие лучи всех длин волн, называются ахроматическими. Они обладают только одной характеристикой – светлотой, которая в основном определяется количеством отражённого поверхностью света и составляют постепенный ряд ахроматических тонов – от белого до чёрного. Парадоксальность названия «бесцветный» цвет ещё раз указывает на неразрывность цвета и света.

Мы довольно легко можем выбрать между предметами более или менее тёмный, но отметить, насколько один темнее другого, мы не можем. Поэтому светлоту измеряют посредством единиц, отмечающих равенство или неравенство яркостей.

Яркость и светлота

В быту эти понятия не различаются. Как правило, слово яркость употребляют для характеристики особенно светлых поверхностей, сильно освещённых и отражающих большое количество света. Слово яркость также часто служит характеристикой цвета, причём имеется в виду его насыщенность и чистота. И ещё яркость используется для определения или оценки источника света.

В цветоведении различие между этими терминами достаточно определено. Яркость – понятие физическое. Величина яркости характеризуется количеством света, попадающего в глаз наблюдателя от поверхности, излучающей или отражающей свет. Светлота же – это ощущение яркости, в котором важную роль играют конкретные условия восприятия, это понятие, относящееся, прежде всего к компетенции психологии. Одна и та же физическая, объективная яркость может вызвать различные ощущения светлоты, и, наоборот, одна и та же светлота может соответствовать различным степеням яркости.

Пороговая чувствительность легко меняется при переходе от одних условий освещённости к другим. При резком изменении освещения на некоторое время она значительно понижается, а затем, по мере привыкания глаза, начинает повышаться. Можно легко напутать с цветом и светлотой, работая при ярком или, наоборот, тусклом освещении или на солнечном свете. (Синие цвета при естественном вечернем освещении кажутся более яркими, красные и жёлтые – менее насыщенными, белесоватыми, а при больших яркостях – желтоватыми.)

Белизна

Термин «белизна» по своему содержанию близок понятиям яркость и светлота, однако, в отличие от них, он содержит оттенок качественной и даже в какой-то мере эстетической характеристики. Что такое белизна? Если светлота характеризует восприятие яркости, то белизна характеризует восприятие отражательной способности. Чем больше поверхность отражает падающего света, тем она будет белее. Теоретически это поверхность, отражающая все падающие на нее лучи, однако на практике таких поверхностей не существует. В живописи, например, белизну выражают математически: баритовые белила – 99%, цинковые белила – 94%, бумага – 86%, мел – 84%. Мы же будем говорить о белизне кожи лица или белизне белков глаз, что вообще не поддаётся никаким подсчётам, но имеет огромное значение в подборе цветов одежды, макияжа и оттенков волос.

Тело, которое совершенно не отражает свет, называют абсолютно чёрным. Но это тоже теоретическое понятие. Поскольку чернота видна, значит, отражает хоть какую-то толику света.

Художник Ивенс следующим образом определял различие между белым, серым и чёрным: «Белое – это феномен, относящийся полностью к восприятию поверхности, серое – восприятие относительной светлоты поверхности, чёрное – положительное восприятие недостаточности стимула для обеспечения должного уровня зрения».

На практике ахроматические цвета при сопоставлении всегда имеют какие-то цветовые оттенки.

Постоянство белизны

Явление константности цвета или света сводится к тому, что, несмотря на непостоянство и изменчивость получаемых сетчаткой глаза световых сигналов, в восприятии мы получаем более или менее постоянный образ, соответствующий реальному объекту.

Белый лист бумаги воспринимается белым и в слабо, и в ярко освещённом помещении. Эта константа существует для всех цветов. Есть некая аналогия между постоянством восприятия белизны и восприятием величины размеров – мы не замечаем перспективных изменений видимых размеров предмета, когда они находятся далеко от нас, и ясно видим их уменьшение на большом расстоянии.

Зрительная оценка белизны поверхности зависит, таким образом, от количества света, отражаемого поверхностью, и от установки восприятия.

Светотень и перспектива

Леонардо да Винчи говорил о наличии «трех перспектив, т.е. уменьшении тел, уменьшении их величин и уменьшении их цвета. Первое уменьшение происходит от глаз, а два другие произведены воздухом, находящимся между глазом и предметом, видимым этим глазом». Это линейная, воздушная и цветная перспектива. По мере удаления от предмета он теряет резкость очертаний и изменяет свою светлоту. При этом тёмные предметы по мере удаления становятся светлее, а светлые, наоборот, темнеют.

Цвет

Когда свет попадает на некоторый объект, может происходить одно из трёх событий: свет может поглощаться, а энергия его превращается в тепло, как это бывает, когда кто-то или что-то нагревается на солнце; он может проходить сквозь объект, если, например, на пути солнечных лучей окажется вода или стекло; либо он может отражаться, как в случае зеркала или любого светлого предмета, например белой стены. Часто происходят два или все три события; например, часть света может поглотиться, а часть – отразиться. Тогда появляется то, что мы называем цветом. Для многих объектов относительное количество поглощённого и отражённого света зависит от длины волны. Зелёный лист растения поглощает длинно- и коротковолновый свет и отражает свет промежуточной области спектра, так что при освещении листа солнечными лучами отражённый свет будет иметь выраженный широкий максимум на средних длинах волн (в области зелёного).

Вещество, которое поглощает часть падающего на него света и отражает остальную часть, называется пигментом. Сразу же добавим: какой именно цвет мы увидим, зависит не только от длины волн, но также от распределения энергии между различными участками спектра и от свойств нашей зрительной системы. Здесь присутствует как физика, так и биология.

Леонардо да Винчи предвосхитил последующие открытия, когда заявил: «Белое не есть цвет, но оно в состоянии воспринять любой цвет». Великому английскому физику Исааку Ньютону экспериментально удалось доказать, что белый солнечный свет представляет собой смесь разнообразных цветов.

Увлечённый поисками аналогий между цветом и звуком, Ньютон разделил полученный им спектр – последовательный ряд ярких цветов – на семь частей соответственно семи тонам музыкальной диатонической гаммы и обозначил их словами: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый.

Одновременно он обнаружил, что белый свет состоит из световых лучей, которые неодинаково преломляются, проходя через одну и ту же среду, и что этой неоднородности лучей и соответствует разница в ощущении цвета, которые они вызывают, попадая в глаза человека. Он также обратил внимание, что каждый из этих цветов занимает в спектре различный по ширине участок.

Опыты Ньютона имели большое значение для развития научных взглядов на природу цвета.

Согласно современным воззрениям, спектр образуется потоком лучей с разной длиной световой волны. Если поток состоит из лучей, имеющих одну длину, то он – монохроматический. Теоретически световой поток, состоящий, допустим, из лучей, имеющих длину волны в 637 нм, вызывает иное ощущение цвета, чем поток из лучей в 638 нм. Однако глаз не реагирует на столь незначительное изменение в волновом составе излучения, и практически считается монохромным потоком, который содержит различные лучи в пределах ±10 нм. Но с таким спектральным цветом в действительности мы дела не имеем. Обычно глаз получает смешанные потоки, состоящие из волн различной длины. Ощущение красного или синего цвета определяется лишь преобладанием в потоке того или иного пучка лучей с соответствующей длиной волны. И чем больше лучей одной длины волны, тем чище цвет. Чем больше примесей, тем грязнее и тусклее цвет. При определённой смеси лучей всего спектра, т.е. всех длин волн, мы получим серый цвет.