Исследование цветового зрения является одним из на­правлений основного русла изучения зрительного восприятия. По­чти полностью доказано, что ни одно млекопитающее, включая приматов, не обладает цветовым зрением, и если некоторые из их представителей и имеют цветовое зрение, то лишь в весьма руди­ментарной форме. Еще более странно то, что многие низшие жи­вотные обладают прекрасным цветовым зрением: оно в высокой степени развито у птиц, рыб, пресмыкающихся и насекомых, та­ких, как пчелы и стрекозы. Мы придаем такое большое значение нашему восприятию цвета — главному фактору в зрительной эс­тетике, глубоко влияющему на наше эмоциональное состояние, что нам трудно представить себе серый зрительный мир других мле­копитающих, включая наших домашних кошек и собак.

Изучение цветового зрения имеет бурную историю. Вокруг проблем разгорались страсти. Выдвигались самые различные теории, которые никогда полностью не забывались; однако, когда все будет сказано, весьма вероятно, что, по существу, правильными окажутся самые первоначальные теории.

Начало исследованию цветового зрения положила извест­ная работа Ньютона «Оптика». Название этой книги полнос­тью соответствует ее содержанию; возможно, поэтому данный научный труд того времени стоит прочесть и в наши дни. «Оп­тика» написана в Тринити-Колледже в Кембридже, в комна­тах, которые существуют и поныне и в которых все еще живут. В этих комнатах проводились классические эксперимен­ты, так же как и менее успешные ньютоновские опыты по пре­вращению простых металлов в золото. В феврале 1692 года, после того как его эксперименты со светом были завершены и книга почти полностью написана, рукопись и все его заметки сгорели от пламени свечи в то время, когда он был в церкви. Ньютон, как писали его современники, был, разумеется, очень расстроен. Только в 1704 году он восстановил и опубликовал эту работу — она была его последней книгой, вместо того что­бы быть первой. При жизни Ньютона книга выходила еще в трех изданиях (в 1717, 1721 и 1730 годах), каждое из которых

499

Ньютон показал, что белый свет состоит из всех цветов спект­ра; по мере развития волновой теории света стало ясно, что каждо­му цвету соответствует определенная частота световой волны. Весь­ма важным является вопрос о том, что частота излучения в види­мой части спектра весьма велика — значительно больше, чем та частота, которую могут непосредственно воспроизвести нервные элементы. Фактически наивысшее число импульсов, которое мо­гут передавать нервы, значительно ниже 1000 в секунду, в то вре­мя как частота света составляет миллион миллионов колебаний в секунду. Проблема состоит в том, каким образом частота света кодируется медленно действующей нервной системой.

Первый, кто пытался разрешить эту проблему, был Томас Юнг¹. Он выдвинул теорию, развитую в дальнейшем Гельмгольцем, чьи работы в этом направлении остаются лучшими из всех, которые мы знаем. Вклад Юнга в разрешение этой проблемы был оценен Клерком Максвеллом следующим образом:

«По-видимому, почти банально заявление, что цвет — это ощущение, и все же Юнг, самым искренним об­разом признающий эту элементарную истину, раз­работал первую содержательную теорию цвета. На­сколько мне известно, Томас Юнг был первым, кто, исходя из хорошо известного факта существования трех первичных цветов, искал объяснение этому факту не в природе света, а в конструкции человека». Если существуют рецепторы, чувствительные к каждому от­дельному цвету, тогда их было бы по крайней мере 200 раз­личных типов. Однако это невозможно по той простой причи­не, что мы видим почти так же хорошо в окрашенном свете, как и в белом. Число действующих рецепторов не может, та­ким образом, очень сильно сокращаться при монохроматичес­ком свете, следовательно, не может существовать более чем несколько типов цветочувствительных рецепторов. Юнг ясно выразил это. В 1801 году он писал:

Вместе с Гельмгольцем Томас Юнг (1773—1829) положил начало современ­ным исследованиям цветового зрения. Будучи всесторонне одаренным чело­веком, Юнг внес важный вклад в науку о зрении, а также в египтологию, оказав помощь в переводе «Rosetta Stone».

«В настоящее время, когда почти невозможно пред­ставить себе, что каждая чувствительная точка сет­чатки содержит бесчисленное множество составных частиц, способных вибрировать в унисон с каждым возможным световым колебанием, мы приходим с необходимостью к предположению о существовании ограниченного числа рецепторов сетчатки, восприни­мающих, например, такие основные цвета, как крас­ный, желтый и синий...»

В работах, написанных позже, он настаивал, что число «ос­новных цветов» равно трем, однако заменил красный, желтый и синий на красный, зеленый и фиолетовый.

Теперь мы переходим к существу проблемы: каким обра­зом воспринимаются все цвета с помощью небольшого числа рецепторов? Был ли Юнг прав, предполагая, что их только три? Можно ли определить, какие именно цвета являются «основ­ными»?

Возможность того, что вся гамма цветов может быть полу­чена из нескольких «основных» цветов, доказывается един­ственным важным наблюдением — цвета можно смешивать. Это может показаться очевидным, однако фактически в глазу эти процессы смешения происходят совсем иначе, чем в ухе. Два звука нельзя смешать так, чтобы получить отличный от них третий звук, но два цвета дают третий, в котором эти составные части уже не видны. Составные звуки слышны как аккорд и могут быть выделены порознь, во всяком случае му­зыкантом, чего нельзя сделать в отношении света.

Употребляя термин «смешение цветов», мы должны иметь ясное представление о том, что имеется в виду. Чтобы полу­чить зеленый цвет, художник смешивает, желтый и синий, но он смешивает не отдельные световые лучи, определенной частоты, а весь спектр цветов, минус те цвета, которые поглощаются пигментом его глаз. Это так сложно, что мы не будем касаться вопроса о пигменте и рассмотрим только те световые лучи, которые остаются после прохождения через цветовой фильтр или создаются с помощью призмы (или интерференци­онной решетки).

Желтый цвет мы видим при комбинации красных и зеле­ных световых лучей. Юнг предполагал, что желтый цвет мы видим всегда при смешивании в определенных пропорциях


500

501

Фактически понимание сущности желтого цвета представля­ет собой основной пункт разногласий между представителями различных теорий цвета. Является ли восприятие желтого цве­та результатом совместной деятельности красно/зеленой сис­тем рецепторов или оно первично, в пользу чего говорит просто­та ощущения, которое он вызывает? Хотя довод о том, что жел­тый цвет кажется простым по ощущению — он не похож на смесь,— и был выдвинут против Юнга, он не обоснован. Дело в том, что если смешать красные и зеленые световые лучи (при проекции этих лучей на экран), мы видим желтый цвет, и это ощущение неотличимо от того, которое возникает при монохро­матическом свете желтой части спектра. Безусловно, что в этом примере простота ощущения не дает нам основания заключить о простоте нервных процессов, лежащих в основе этого ощуще­ния; очевидно, это справедливо вообще применительно ко всем видам ощущений и восприятий.

Юнг остановился на трех «основных» цветах по очень про­стой причине. Он обнаружил, что можно создать любой цвет, видимый в спектре (в том числе и белый), путем смешивания трех, но не менее чем трех световых лучей, подбирая соответ­ствующую интенсивность света. Он установил также, что диа­пазон пригодных для этого длин волн довольно широк, и это и составляет ту трудность, с которой мы сталкиваемся при ре­шении вопроса, каковы же первичные цвета. Если бы только три определенных цвета давали при смешивании всю гамму оттенков спектра, мы могли бы сказать с некоторой уверенно­стью, что именно они-то и соответствуют основным цветовым системам глаза, однако нет единого набора из световых лучей трех длин волн, который бы удовлетворял этим условиям.

Опыт Юнга очень красив. На рис. 1 (см. цветную вклейку) изображена схема этого опыта.

Итак, согласно теории Юнга — Гельмгольца, существует три типа цветочувствительных рецепторов (колбочек), кото­рые отвечают соответственно на красный, зеленый и синий (или фиолетовый) цвета, а ощущения всех остальных цветов

спектра возникают при смешении сигналов этих трех рецепторных систем. Чтобы построить основные кривые чувствительнос­ти, надо было проделать большое количество экспериментов, и это оказалось неожиданно трудным делом. Наилучшие из полу­ченных кривых представлены на рис. 2 (см. цветную вклейку).

Посмотрим теперь на следующий график, на решающую для понимания цветового зрения так называемую кривую раз­личения оттенков (рис. 3 на цветной вклейке). Здесь сравни­вается длина световой волны с наименьшим различием в вос­приятии оттенка цвета. Теперь если мы посмотрим на преды­дущий график (рис. 2 на цветной вклейке), то увидим, что оттенок цвета будет изменяться очень мало по мере измене­ния длины световой волны на концах спектра, так как един­ственное, что происходит при этом,— это постепенное увели­чение активности систем, воспринимающих красный и синий цвета, без включения в работу других систем. Иначе говоря, на концах спектра мы увидим— при изменении длины свето­вой волны — изменения в яркости, но не в цвете. Вот и все, что при этом происходит. С другой стороны, в середине спектра мы должны ожидать существенных изменений цвета, ког­да чувствительность системы, ответственной за восприятие красного цвета, быстро падает, а чувствительность системы вос­приятия зеленого цвета быстро возрастает. Малейший сдвиг в длине световой волны будет вызывать большие изменения в соотношении активности систем, ответственных за восприя­тие красного и зеленого цвета, что приводит к заметным из­менениям оттенка цвета. Таким образом, следует предполо­жить, что вблизи желтого цвета оттенки различаются исклю­чительно хорошо — и так оно и есть на самом деле.

Мы опустим здесь изложение бурных дебатов нашего вре­мени по вопросу о том, существует три, четыре или семь цветовых систем; и примем концепцию Юнга, считавшего, что все цвета являются результатом смешения трех основных цветов. В цветовом зрении существует, однако, гораздо больше про­блем, чем это обнаружено в экспериментах с простыми окра­шенными пятнами света. В последнее время имели большой успех работы гениального американского изобретателя Эдви­на Лэнда. Помимо изобретения поляроида (сделанного им еще и бытность его студентом), превратившегося позже в камеру Лэнда, он показал с помощью изящных опытов, что то, что верно в отношении цвета, получаемого путем смешения простых све-

Лэнд, в сущности, повторил опыты Юнга по смещению цве­тов, используя, однако, не простые световые пятна, а прозрач­ные фотографические пластинки. Теперь мы можем считать, что все эти опыты с проекцией окрашенных фотографий яв­ляются, по существу, продолжением работ Юнга, так как во всех цветных фильмах практически используется только три цвета. Лэнд уменьшил их число до двух и обнаружил, что с помощью только двух цветов получается неожиданное богат­ство красок. Техника опыта состоит в том, что фотографичес­кие негативы с одними и теми же изображениями проециру­ются через различные цветовые фильтры. Негативные пленки превращаются в позитивные и проецируются через те же филь­тры, что и дает на экране наложенные друг на друга изобра­жения. Довольно хорошие результаты получаются, если взять один проектор с красным фильтром, а другой -- без всякого фильтра. Исходя из опыта Юнга, мы не должны были бы ожи­дать чего-либо от оттенков розового цвета различной насы­щенности (полученных с помощью добавления белого цвета); однако в действительности мы получаем зеленый и другие цвета, которых фактически нет. Эти результаты можно было бы предвосхитить, если учесть два хорошо известных факта. Во-первых, вначале в цветных фильмах использовались толь­ко два цвета, но все возможности этого метода не были в дос­таточной мере реализованы. Во-вторых, как мы уже знаем, хотя Юнг и обнаружил, что цвета спектра, включая белый, могут быть получены при смешении трех окрашенных свето­вых лучей, таким способом невозможно получить любой цвет, который доступен нашему восприятию. Например, таким об­разом нельзя получить коричневый цвет, а также цвета ме-

таллов, таких, как серебро или золото. Следовательно, суще­ствует нечто сверх трех цветов, не говоря уже о двух.

Рассмотрим обычные цветные фотопластинки, проецируе­мые на экран. Этот способ дает нам все цвета, которые спосо­бен воспринять наш глаз, но он основан только на трех цвето­вых лучах, открытых Юнгом Цветное кино — не более чем устройство, состоящее из трех цветных фильтров, расположен­ных на определенном расстоянии друг от друга, но оно дает нам даже коричневый и другие цвета. Юнг не мог их полу­чить с помощью своих трех цветовых лучей. По-видимому, когда три цветовых потока объединяются в сложные структу­ры и особенно когда они изображают предметы, мы видим большее разнообразие цветов, чем в тех случаях, когда те же самые цветовые потоки предъявляются в виде простых струк­тур, как, например, на рис. 1 (см. цветную вклейку).

Все это означает, что нельзя представлять себе цветовое зрение в виде простой системы: восприятие света обусловле­но не только стимуляцией глаза определенной длиной волн и интенсивностью света, но и тем, изображает ли совокупность цветовых пятен предметы; тогда вступают в действие высшие корковые уровни мозговых процессов, исследование которых сопряжено с исключительными трудностями. Коричневый цвет — это сверхнасыщенный желтый (его можно получить путем адаптации глаза к цвету, дополнительному к желтому, с последующей стимуляцией желтым светом); однако в обыч­ных условиях, чтобы воспринять коричневый цвет, требуется контраст, определенная совокупность линий и преимуществен­ная интерпретация освещенной области как поверхности пред­метов; и все же в обычной жизни коричневый цвет — один из наиболее распространенных. Для глаза белый цвет — это не специальное смешение цветов, а скорее общее освещение, ка­ким бы оно ни было. Так, мы видим свет фар автомобиля белым, когда ведем машину за городом, но в городе, где есть яркий белый свет для сравнения, свет фар кажется нам совсем желтым; то же происходит и со светом свечи или лам­пы. Это значит, что нам трудно оценить белый цвет, если нет критерия того, что такое белое. Ожидание или предваритель­ное знание обычного цвета предмета очень важно. Вероятно, такие предметы, как апельсины и лимоны, имеют более богатый и естественный цвет, если они узнаются как таковые, однако,


504

505

разумеется, это не исчерпывает проблему. Лэнд с осторожнос­тью использовал предметы, цвет которых не был известен на­блюдателям, как, например, катушки с намотанной пластмас­совой проволокой, ткани с рисунком из окрашенной пряжи,— и все же он получил удивившие его результаты.

Каким бы ни было наше окончательное мнение — по этому вопросу существуют различные точки зрения,— ясно, что ра­бота Лэнда выявила существование сложных добавочных моз­говых процессов, связанных с обработкой сенсорной информа­ции при организации ощущений в восприятие предметов. Было бы упрощением представлять себе зрение прежде всего как работу глаза и забывать о мозге.

Весьма примечательно, что далее распространенная форма нарушения цветового зрения — смешение красного цвета с зе­леным — была открыта лишь в XIX столетии, когда химик Джон Дальтон обнаружил, что он не может четко различать некоторые вещества по их цвету, хотя другие люди могли это делать без труда. Причина этого отчасти заключается в том, что мы называем предметы, пользуясь разными критериями. Мы называем траву зеленой, хотя не знаем, одинаково ли ощу­щение, возникающее при взгляде на траву, у разных людей. Трава — определенный вид растений, растущих на лужайках; ощущение цвета, которое она вызывает, мы все называем «зе­леный», но мы узнаем траву не только по цвету, но и по дру­гим признакам — форме листьев, густоте и т. д., и если мы склонны путать цвета, существуют обычно дополнительные признаки, достаточные для того, чтобы определить это расте­ние как траву. Мы знаем, что она должна быть зеленой, и на­зываем ее зеленой, даже если это вызывает сомнение.

Однако, когда химик определяет вещества, случается, (что вещество в бутылке может быть определено только по цвету, и тогда сама способность химика определять и называть цвета должна подвергнуться испытанию. В тестах на цветовое зре­ние всегда используются изолированные цвета в качестве един­ственного определяющего предмет признака, и тогда легко об­наружить, обладает ли испытуемый нормальной способностью различать цвета, или он видит единый цвет там, где другие люди видят разные цвета.

Как уже говорилось выше, наиболее распространенным нарушением цветового зрения является неумение различать красное и зеленое. Существует, однако, много других видов нарушений. Смешение красного и зеленого встречается, как ни странно, весьма часто. Приблизительно 10% мужчин име­ют этот дефект в довольно яркой форме; у женщин он встре­чается крайне редко. Менее распространенным является сме­шение зеленого и синего. Исходя из трех предполагаемых цветовых рецепторных систем, цветовую слепоту подразде­ляют на три главных вида; раньше их просто называли сле­потой на красный, зеленый и синий цвета, но теперь избе­гают этих названий. У некоторых людей обнаруживается полное отсутствие одного из трех видов колбочковых цвето­вых систем, их называют теперь протанопы, дейтеранопы и тританопы (что соответствует дефектам первой, второй и третьей цветочувствительных систем), однако это не внесло большей ясности. Для этих людей достаточно смешать толь­ко два окрашенных световых потока, чтобы получить все спектральные цвета, доступные их восприятию. Таким об­разом, результаты работы Юнга по смешению цветов приме­нимы к большинству людей, но не к исключительным слу­чаям цветовой слепоты. Чаще встречается не полное выпа­дение цветового зрения, а уменьшение чувствительности к некоторым цветам. Эти нарушения обозначают как прота-нопия, дейтеранопия и тританопия. Последняя форма, три-танопия, встречается чрезвычайно редко. Людей, страдаю­щих этими дефектами, характеризуют как имеющих аномаль­ное цветовое зрение. Это означает, что, хотя им требуется три окрашенных световых потока, чтобы получить доступ­ные их восприятию цвета спектра, им нужны иные пропор­ции этих трех составляющих, чем остальным людям.

Те пропорции, в которых надо смешать красный и зеле­ный цвета, чтобы получить монохроматический желтый, яв­ляются самым важным показателем аномалии цветового зре­ния. Лорд Рэлей в 1881 году обнаружил, что людям, которые путают красный цвет с зеленым, требуется большая интенсив­ность красного или зеленого, чтобы они увидели желтый цвет. Для исследования цветового зрения изготовлены специальные инструменты, которые создают монохроматически окрашенное поле, близкое по цвету к полю смешанного красно-зеленого


506

507

Желтый цвет кажется чистым цветом, поэтому принято считать, что существует специальный набор рецепторов, чув­ствительных к желтому цвету. Однако с помощью аномалос-копа можно довольно просто показать, что желтый цвет фак­тически всегда возникает при смешении в определенных про­порциях красного и зеленого цветов.

Наблюдатель настраивает аномалоскоп таким образом, что­бы монохроматический и получаемый путем смешивания желтый цвета были идентичны. Затем он смотрит на ярко-красный свет, чтобы глаз адаптировался к красному. После адаптации сетчатки к красному цвету он вновь смотрит в ано­малоскоп, и его просят оценить, продолжают ли совпадать те же два поля по цвету. Он будет видеть оба поля зелеными, и они будут одного и того же зеленого цвета. Совпадение полей не нарушается при адаптации к красному цвету, так что на­блюдателю не потребуются иные пропорции красного и зеле­ного цвета в смеси, чтобы получаемый цвет совпал с монохро­матическим желтым. Нельзя, следовательно, на основании показаний аномалоскопа сказать, что наблюдатель адаптиро­вался к красному цвету, хотя сам наблюдатель воспринимает совершенно иной цвет после адаптации — ярко-зеленый вме­сто желтого. То же самое происходит и при адаптации к зеле­ному цвету — оба поля будут казаться наблюдателю одного и того же красного цвета. Совпадение цветов продолжает со­храняться (рис. 4 на цветной вклейке).

Если бы, однако, существовал специальный вид рецепто­ров, чувствительных к желтому цвету, этого бы не произошло. Специальные, чувствительные к желтому цвету рецепторы давали бы при монохроматическом поле ощущение желтого цвета, несмотря на адаптацию к красному или зеленому цвету, приводящую к изменению цвета смешанного поля. Простые рецепторы не могли бы давать при адаптации сдвиги цветов на спектральной шкале. Но желтый цвет, видимый при со-

вместной работе рецепторных систем, воспринимающих крас­ный и зеленый цвета, должен был бы измениться после того, как изменится чувствительность той или другой системы под влиянием адаптирующего цвета. Таким образом, не могут существовать две различные системы, ответственные за вос­приятие цвета двух полей, или на эти две системы по-разному воздействует адаптация к окрашенному свету. Следовательно, не существует специальных рецепторов, чувствительных к желтому цвету.

Этот эксперимент можно повторить и с другими цветами со сходным результатом, показывающим, что ни один цвет не воспринимается специальной системой рецепторов. Те же са­мые результаты получены также и у аномальных наблюдате­лей: их первоначальное восприятие цвета было иным, но раз установленные соотношения компонентов после адаптации сохранялись неизменными.