1 LUMINĂ ŞI CULOARE
Referat de popularizare a ştiinţei
Cunoştinţe necesare înţelegerii: Gimnaziu
Ing. Wagner Emil, pensionar
                        

Cap.1 Ce este lumina
Să se facă Lumină !. Oare ce este această lumină?
Wikipedia, enciclopedia liberă, o defineşte:
Lumina este stimulul care acţionând asupra retinei din ochi produce la omul sănătos senzaţia vizuală.
Deci, lumina ar fi o entitate specifică omului poate şi a animalelor care posedă „retină în ochi”. Cam subţirică definiţia.
Natura fizică a luminii este ceva mai substanţial definită:
Fizic, lumina este o radiaţie electromagnetică; pentru a fi percepută de om ea trebuie să aibă anumite caracteristici.
Aici însă apare prin repetare în clar că sintagma lumină este legată strict de om şi nu de animale care ar avea ochi cu retină.
În continuare Wikipedia analizează de fapt culorile, ignorând lumina însăşi.

Deci sunt în drept să revin cu întrebarea: Ce este LUMINA?, de astă dată cu întrebări suplimentare cauzate de lămuririle date de Wikipedia:
•    Este Lumina specifică omului ?
•    Ce vedem noi oare ca stimul al luminii pe retina noastră?
•    Dacă lumina este specifică omului, ce sens are Fotosinteza pusă în evidenţă de regnul vegetal sub acţiunea luminii?
Nu mă consider Einstein ca să am intuiţia necesară de a răspunde la întrebările de mai sus, dar măcar le pun în discuţie.

Ca entitate ce nu poate fi definită logic (complet şi precis) fiecare grup de meseriaşi sau artişti ar putea să o definească potrivit cu preocupări şi simţăminte.
Fizicienii s-au exprimat: Lumina este o radiaţie electromagnetică însoţită de particule materiale numite fotoni.
Un biolog ar spune: Lumina este sursa de OXIGEN creat de plante în folosul celorlalte vieţuitoare.
Un preot ar predica: Uitaţi-vă în jur ca să vedeţi minunatele picturi realizate de Dumnezeu prin lumina făcută în prima zi a creaţiei sale.
Eu, fără a fi poet sau pictor aş defini-o: Lumina este cel mai mare dar făcut de natură pentru a-i putea admira frumuseţile.

Lumina nu are sens decât în legătură cu antonimul ei întunericul. Este lumină când nu este întuneric şi viceversa.
Când este lumină? Biblia ne spune că Dumnezeu a stabilit în a treia zi a facerii doi luminători pe cer, Soarele pentru zi şi Luna pentru noapte. Este întuneric când nici unul dintre cei 2 luminători nu se află pe cer. Omul, copiind natura şi-a creat şi alţi luminători, începând cu focul care reuşea să disperseze local întunericul.
Astăzi există o întreagă suită de surse luminoase între care soarele deţine locul de frunte (cea mai intensă şi strălucitoare sursă) iar candela, numită şi lumânare cea mai slabă, considerată ca unitate de măsură.

Radiaţiile ondulatorii, dintre care face parte şi lumina din punct de vedre fizic generează, în totalitatea sa spectrul electromagnetic:
Rază gamma | Rază X | Ultraviolet | Spectru vizibil | Infraroşu | Radiaţie Terahertz | Microundă | Unde radio

În care spectrul vizibil ocupă o mică parte.
În spectrul vizibil (pentru om, căci diferite animale au un spectru puţin diferit, cu incluziuni în ultraviolet) au fost puse în evidenţă culorile:
Violet | Albastru | Verde | Galben | Portocaliu | Roşu adică culorile curcubeului.

Amestecul culorilor spectrale dau aşa numita lumină albă.
Lumina, inclusiv lumina albă, nu poate fi văzută. Ştim că este lumină în aceea că natura sau câmpul nostru vizual capătă forme şi culori. Numai în condiţii speciale (camera obscură cu ceaţă) putem vizualiza razele de lumină. Drept exemplu dau o imaginea publicată de Wikipedia.

 
Lumină alba descompusă în culori cu ajutorul unei prisme transparente. Un fascicul de lumină albă intră în prismă din partea dreaptă şi după două refracţii iese prin partea stângă cu o orientare diferită, separat în culorile curcubeului. În această fotografie se mai pot observa şi cel puţin două reflexii.

În consecinţă lumina este (de natură ondulatorie cu fotoni) şi totuşi nu este (cică ar fi doar o senzaţie a omului). Ce ţi-e şi cu ştiinţa asta!
Ce este clar este că nu poate fi văzută deşi este suportul senzaţiei vizuale la om ca şi la alte animale.
 
Cap 2. Lumini colorate

Lumina albă, care este şi simultan nu este, conţine (se poate descompune într-) o bogată gamă cromatică, adică de culori. Lumina solară se descompune întotdeauna în aceleaşi culori spectrale numite si curcubeu. Aceste culori pot fi uneori văzute pe cer, de regulă după ploaie şi, popular, anunţă vremea bună ce va să vină. Nu întâmplător spectrul solar este aproape identic cu spectrul heliului (un element chimic gazos cu simbolul chimic He, identificat în masa solară).
Fiecare element chimic  colorează flacără prin care arde într-o culoare specifică. Are deci un spectru cromatic care este întotdeauna acelaşi.
Spre deosebire de lumina albă definită drept amestec a mai multor lumini, să le zicem colorate, există noţiunea de lumină monocromatică adică de o culoare unică. Spectrele elementelor chimice nu conţin lumini monocromatice ci mici benzi în diferitele zone cromatice. Galbenul specific al elementului sodiu (Na) ester diferit de galbenul existent în spectrul heliului.
Dar să lăsăm teoria pentru teoreticieni. Noi ne vom ocupa numai de ceea ce este sau nu nou sub soare. Soarele este şi va rămâne veşnic sursa de lumină de bază.
Dacă soarele nu ne stă la dispoziţie, noaptea de exemplu, trebuie să folosim altă sursă de lumină. Aprindem becul cu incandescenţă. Lumina acestuia nu este la fel cu lumina solară, deşi Edison sa străduit să fie cât mai apropiată prin materialul ales pentru filament. Pentru un ochi exersat, un tablou pictat în natură (deci sub soare) va arăta altfel sub lumina becului.
În consecinţă albul luminii albe nu este acelaşi pentru toate sursele de lumină. Impropriu acest alb a fost uneori definit prin temperatura de culoare, noţiune întâlnită în legătură cu becurile fluorescente.
Cert este că fiecare sursă de lumină are un conţinut propriu de lumini colorate. Vom vedea ceva mai târziu importanţa acestei afirmaţii.


1 Cap.3 Culoarea
Culoarea este o proprietate esenţială pentru anumite materiale denumite coloranţi sau vopsele. De culori se ocupă o însemnată ramură a chimiei industriale. Se ştie că, prin amestec, se pot obţine o infinitate de culori şi nuanţe.

Au existat pictori celebri, care ne încântă ochii cu operele lor, cu mult înainte de a defini culoarea. Ei au creat mii de nuanţe colorate asemănător celor aflate în natură, prin amestecare unor coloranţi obţinuţi din regnul mineral sau vegetal, prin formule de care doar ei au cunoştinţă. Este cunoscut de exemplu albastru de Voroneţ unic între nuanţele culorii albastre, dar identic în toate frescele mânăstirii al cărui nume îl poartă.

Dacă culoarea este un factor cert şi se poate repeta identic folosind aşa numitele reţete, adică componente în amestec, cum este posibil ca acelaşi tablou să arate diferit funcţie de sursa de lumină folosită? Şi aici nu este vorba numai de sursele artificiale de lumină.
Să luam de exemplu natura, unul din tablourile pictate de însuşi Dumnezeu. Privit ziua este plin de cromatism, o mulţime de culori şi nuanţe splendid îmbinate. Într-o noapte cu lună plină acelaşi tablou pare cu totul diferit. Minunata armonie de culori care ne-a încântat ziua a fost înlocuită de o infinitate de nuanţe de gri, unele abia vizibile. Ce s-a întâmplat oare? Mă îndoiesc că Dumnezeu a repictat tabloul. Nu este cumva de vină luminatorul?

Fenomenul este următorul:
Fiecare vopsea (colorant) absoarbe şi transformă în căldură aproape toată lumina albă incidentă. O mică parte este reflectată şi ajunge la ochiul nostru. Dar dacă sursa de lumină albă nu are componente din culoarea reflectabilă, corpul vopsit pare negru, cel mult cenuşiu. Deci nu numai prisma transparentă are proprietatea de a extrage culori din lumina albă. Ori ce vopsea, când este iluminată de o sursă luminoasă bogată în culori, soarele de exemplu, extrage o singură culoare pe care o vedem. Restul amestecului de culorii se transformă în căldură pe care, uneori o putem simţi. De aceea o maşină de culoare albă se încălzeşte în parcare, sub razele solare, mult mai puţin ca una neagră. Dacă ar fi fost argintată oglindă nu s-ar fi încălzit de loc.
Alb, negru şi nuanţe de gri
Fiecare vopsea răspunde la câte o grupă de lumini colorate pe care, prin reflecţie, le restituie mediului şi pot ajunge la ochiul nostru. Deci culoarea vopselei este certă şi există indiferent dacă un ochi este sau nu îndreptat spre ea. Grupul de lumini colorate reflectat de vopsea este, la rândul său constituit din una sau mai multe culori monocromatice, aflate în sursa de lumină. Numim culoare monocromatică, corect spus lumină monocromatică, o lumină colorată având o singură frecvenţă din cele câteva miliarde care constituie spectrul vizibil. Lumina monocromatică nu poate fi uşor obţinută şi este, în general cunoscută sub numele LASER.
Dar să revenim la oile noastre. Există 2 vopsele, ALB şi NEGRU care fac excepţie la regula de mai sus.
Lumina albă depinde de sursă şi este clar că cea emisă de soare este complet diferită de aceea emisă (corect spus reflectată) de lună. Un bec este undeva pe la mijloc.
Oare există şi lumină neagră? Oricât ar pare de ciudat există! Vom face mai târziu cunoştinţă cu ea.
Vopseaua albă depinde numai de reţeta folosită la preparare. Ochiul unui pictor poate deosebi zeci de culori diferite, toate albe pentru omul normal. În general amestecând puţin albastru în vopseaua albă aceasta devine mai albă. De aceea bunica folosea albăstrală pentru albirea cearceafurilor.
Vopseaua neagră are şi ea o reţetă de fabricare. V-ar mira dacă aş afirma că ochiul unui pictor poate deosebi mai multe culori negre diferite? Este totuşi adevărat.
Dacă ai fost atent ai observat că am evitat sintagma „nuanţă” de alb respectiv de negru. Am rezervat acest termen pentru a putea înţelege consecinţa amestecului în diferite proporţii a 2 culori diferite.
Să amestecăm deci, pe paleta pictorului,  vopsea albă cu vopsea neagră. Ce vom obţine? Bineînţeles gri, corect spus nuanţe de gri, funcţie de cantitatea luată din fiecare.



În imaginea de mai sus am creat, pentru tine, o familie de nuanţe care trec negrul în alb. Două pătrăţele consecutive formează un şir cu raţie constantă. Puteam să inserez oricâte nuanţe (calculatorul permite între 8 şi 6 milioane). Am ales 16 pentru ca să faci un efort spre a le distinge (primele 3 par negre, abia a 4-a tinde spre gri închis). Dacă ai avea ochi de pictor ai diferenţia chiar mai multe nuanţe.
Ceva similar putem obţine trecând roşu în alb (nuanţe de roşu deschis) sau roşu în negru (nuanţe de roşu închis), fiindcă alb şi negru sunt vopsele „cu regim special” Ce se întâmplă facă trec o culoare în altă culoare?
Pentru a vedea şi înţelege ce se petrece în acest caz voi alege trei culori şi le voi combina între ele. Rezultă diagrama:
           (Denumirile culorilor în engleză. Sistemul RGB)

Să le luăm pe rând:
Roşu (R) + Albastru (B)  = Violet
R + Verde (G) = Galben
G + B = Albastru deschis
R + G + V = Alb

Culorile devin mai deschise prin amestecare şi dacă amestecăm 3 culori (în cazul culorilor fundamentale) obţinem alb.
Aici culorile au fost amestecate în proporţii egale din fiecare. Dacă procentul variază se pot obţine o infinitate de culori distincte (nu nuanţe). Pentru fiecare din aceste culori se pot obţine (teoretic) o infinitate de nuanţe prin amestecul cu alb respectiv cu negru.
RGB versus RGA, lumina neagră
Culorile fundamentale pot fi alese. Nu tocmai la întâmplare. Sunt fundamentale dacă şi numai dacă însumate dau Alb sau Negru.

La ecranul monitoarelor, pentru care NEGRU este starea de bază, a fost ales sistemul de adiţie, adică suma celor 3 culori fundamentale să dea ALB. Culorile sunt Roşu, Verde, şi Albastru (RGB în engleză)
Constructiv ecranul monitorului este compus din linii de surse monocrome microscopice orientate astfel încât câte un mic triunghi echilateral (punctul sau Pixel în engleză) să conţină cele 3 surse. Cu o puternică lupă am putea vedea:
    R G B R G B R
          B R G B R G
            R G B R G B R
Fiecare culoare are un sistem propriu de acţionare. Combinând acest sistem triplu cu o gamă cu milioane de trepte de strălucire (nuanţa) îţi poţi da seama uşor că dispui de miliarde de culori şi nuanţe. Ochiul nu le poate distinge ca atare dar prin folosirea lor în desene şi picturi se obţine o acurateţe mai mare decât posibilităţile fizice ale pictorilor.

Natura nu lucrează prin adiţionarea surselor. Sursa este unică, soarele sau luna, iar culorile se obţin prin eliminare. Am văzut că o vopsea absoarbe majoritatea culorilor din lumina albă reflectând pentru ochiul privitorului o mică parte funcţie de compoziţie.
Tehnica (teatru, lumina semafoarelor, etc.) foloseşte filtre constituite din plăci transparente colorate potrivit cu culorile fundamentale adecuate.
Natura ne-a dezvăluit în curcubeu care sunt culorile ei fundamentale, în speţă Roşu (R), Galben (G) şi Albastru (A) adică tocmai steagul românesc.
Adiţionând 2 din aceste culori se obţine una mai închisă (portocaliu, verde respectiv violet toate vizibile în curcubeu), iar suma celor 3 dă lumina neagră.
Lumina neagră nu conţine nici una din culorile spectrale. Totuşi este o energie luminoasă ce excită substanţele fluorescente care devin vizibile în întunericul ce îmbracă restul scenei. Este un efect deosebit folosit uneori şi în discoteci.

Nimic din ce am discutat mai sus nu aduce omul şi retina ochiului său în prim plan cu referire la lumină. Este adevărat că nu avem încă cuvintele necesare spre a defini cu precizie matematică ce este lumina, dar foloasele luminii au început să fie conturate.
Să mulţumim lui Dumnezeu pentru cei doi luminători pe care ni I-a pus la dispoziţie şi să urăm oamenilor să creeze surse luminoase mai bune şi în special mai eficiente.