Gorący błękit i zimna czerwień

Choć na przestrzeni lat, w sztuce, a w szczególności malarstwie, wypracowano o kolorach szerokie pojęcie, mija się ono nieco z ich faktyczną naturą, która opisuje nauka. W szczególności dotyczy to postrzegania temperatury barw. Okazuje się, że podział na zimne i ciepłe odcienie nie jest wcale taki oczywisty.

Jak zachowuje się gorące ciało, na przykład nagrzany kubek z parującym kakaem? Będzie oddawał swoje ciepło do otoczenia. Część będzie przenoszona bezpośrednio, przez przewodzenie energii. Para wodna unosząca się znad powierzchni też za pośrednictwem konwekcji będzie przekazywać energię. Istnieje także trzecia droga, promieniowanie. W kamerze termowizyjnej kubek silnie świeciłby podczerwienią, podobnie zresztą jak zanurzona w nim łyżka. Gdybyśmy ją jeszcze bardziej podgrzali, zaczęłaby świecić. Pytanie tylko, jak opisać to światło?

Zacznijmy od prostego pytania — jaki kolor stroju najlepiej wybrać w gorący letni dzień, czarny czy biały? Zdecydowanie ten drugi. Określone barwy możemy przypisać poszczególnym ciałom, dzięki zjawisku absorpcji, czyli pochłaniania. Światło białe, jako fala elektromagnetyczna, składa się z wielu różnych promieni o własnych częstotliwościach, a co za tym idzie długościach i barwach. Można to pokazać za pomocą pryzmatu. Gdy strumień światła pada na jakiś obiekt, dajmy na to przykład zielonego dinozaura z plastiku. Część jego promieni zostanie zaabsorbowana, jednak te o częstotliwościach odpowiadającym zielonemu  kolorowi zostaną odbite. Gdy dotrą do oka obserwatora, wywołają określoną reakcję w receptorach zwanych czopkami.

W 1860 roku niemiecki fizyk Gustav Kirchhoff zaproponował  hipotetyczny, wyidealizowany obiekt, nazwany ciałem doskonale czarnym. Mimo że nie istnieje ono w rzeczywistości, często korzysta się przybliżonego modelu w postaci wnęki z niewielkim otworem i czarnymi ścianami. Potrafi zaabsorbować każdą padającą na niego falę elektromagnetyczną i jest istotny, chociażby przez to, w jaki sposób łączy optykę z termodynamiką. W 1900 roku dwaj angielscy fizycy Lord Rayleigh i sir James Jeans postanowili znaleźć formułę łączącą ze sobą temperaturę ciała doskonale czarnego oraz własności emitowanego przez nie fali elektromagnetycznej (głównie światła widzialnego, ale lepiej jest poszerzyć tę dość wąską granicę). Wykorzystując całą ówcześnie znaną wiedzę oraz doświadczenia utworzyli prawo fizyczne nazwane później od ich nazwisk. Niestety, miało ono dość poważną wadę, gdyż wyliczone z niego natężenie wzrastało wraz z częstotliwością do olbrzymich wartości niemal nieskończonej. Oznaczałaby to, że każde ciało emitowałoby ogromne ilości promieniowania ultrafioletowego, co było sprzeczne z naturą. Błąd ten zwany katastrofą w nadfiolecie korygował powstały wcześniej rozkład Wilhelma Wiena z 1896 roku. Niemiecki fizyk doszedł do niego empirycznie, co przełożyło się na setki jeśli nie tysiące opracowań wyników doświadczalnych. Choć jego praca przyniosła rozwiązanie problemu dla fal o wysokich częstotliwościach, nie radziła sobie z opisem przeciwnego bieguna spektrum, które potrafiło wyjaśnić prawo Rayleigha-Jeansa. Dopiero Max Planck zdołał wprowadzić niezbędne poprawki teoretyczne wynikające z kwantowej natury światła do rozkładu Wiena, tworząc tym samym nowe prawo. Tak oto powstał opis promieniowania ciała doskonale czarnego.

Odpowiedzmy sobie teraz na pytanie, dlaczego niebieski miałby być gorącym kolorem? Zgodnie z prawem Plancka, ciało doskonale czarne emituje promieniowanie elektromagnetyczne, jednak jego ilość w danej częstotliwości, a co za tym idzie długości, będzie zależeć od temperatury. Najlepiej można to zobaczyć na różnych rodzajach gwiazd, c.d.b. jest ich powszechnym przybliżonym modelem, z których każda będzie miała inną temperaturę. 4 000 Kelvinów, czyli nieco ponad 3 700 stopni Celsiusza (dla porównania: pokojowa – 20 stopni, ludzkie ciało – 36,6 stopni, wrząca woda – 100 stopni, piec do pizzy — do 490 stopni) przełoży się na wytworzenie światła o największym natężeniu dla częstotliwości powyżej 400 terahertzów odpowiadającemu czerwonemu. Zwiększając temperaturę, pójdziemy w stronę pomarańczowego, żółtego, białego, aż wreszcie, dla aż ponad 10 000 Kelvinów błękitu. Zgodnie z tytułem pewnej powieści graficznej, niebieski jest w istocie najgorętszym kolorem.

Skąd w takim razie dysonans między kulturowym ciepłem kolorów a fizyczną temperaturą barwną? Różnice historyczne. Pierwsza interpretacja liczy sobie setki jeśli nie tysiące lat tradycji, znaczeń, prostych obserwacji. Czerwień tak łatwo kojarzymy z najprostszym ogniem (spalanym drewnem, węglem), a co za tym idzie ciepłem, bliskością, energią. Z kolei niebieski jest przeklęty przez rozproszone światło w niebie, które odbija się na taflach wody. To podejście pozostawiam antropologom, artystom, ludziom zajmującym się kulturą. Fizyczna interpretacja kolorów potrafi być zupełnie odmienna od tego, co dyktuje pewien zdrowy rozsądek. Nie oznacza to wcale, że oba światy miałyby istnieć oddzielnie. Piękna kwiatu można doznawać zarówno, patrząc na niego i jego rolę w otoczeniu, jak i wchodząc we wnętrze, by poznać jego budowę, czym jest od środka.


Autor: Kacper J. Kowalski

Zdjęcia: Wikimedia Commons

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Przejdź do paska narzędzi