Lumina și culorile: de ce vedem curcubeul și cerul albastru

Lumina este o undă electromagnetică pe care ochiul o poate percepe, iar culorile sunt felul în care creierul interpretează lungimile de undă diferite ale acestei unde. Lumina albă a Soarelui conține toate culorile curcubeului amestecate. Când trece prin picăturile de ploaie, ele o descompun și apare curcubeul; când trece prin atmosferă, aerul împrăștie mai ales componenta albastră, de aceea cerul este albastru ziua și roșiatic la apus.

Aceleași câteva principii, reflexia, refracția și împrăștierea, explică de ce un creion pare frânt în pahar, de ce norii sunt albi, de ce o mașină neagră se încinge vara și cum afișează ecranul telefonului milioane de culori din doar trei. Le iei pe rând mai jos, cu observații pe care le poți face singur.

Ce este lumina

Lumina este radiație electromagnetică, adică o undă formată din câmpuri electrice și magnetice care oscilează și se propagă împreună. Spre deosebire de sunet, nu are nevoie de un mediu: traversează vidul spațiului cosmic, de aceea vedem stelele. Legătura dintre electricitate, magnetism și lumină a fost arătată de James Clerk Maxwell în secolul al XIX-lea, cum se povestește în Magnetismul: cum funcționează magneții și busola.

În vid, lumina are viteza de 299.792.458 m/s, rotunjit circa 300.000 km/s. Lumina Soarelui ajunge la noi în aproximativ 8 minute și 20 de secunde, iar cea a Lunii în puțin peste o secundă. În apă și în sticlă, lumina merge mai încet, cu aproximativ trei sferturi, respectiv două treimi din viteza din vid. Faptul că viteza luminii în vid este aceeași pentru orice observator stă la baza teoriei lui Einstein, prezentată în Teoria relativității a lui Einstein, explicată simplu.

Undă sau particulă?

Lumina se comportă uneori ca o undă (se difractă, interferă), alteori ca un flux de particule numite fotoni, fiecare purtând o cantitate precisă de energie. Fotonii luminii albastre au mai multă energie decât cei ai luminii roșii, iar cei ai radiației ultraviolete mai multă decât amândouă. Această dublă natură este una dintre ideile centrale ale fizicii cuantice.

Spectrul vizibil și culorile

Lumina vizibilă este doar o fâșie îngustă din spectrul electromagnetic, care include și undele radio, microundele, radiația infraroșie, ultravioletă, razele X și radiația gama. Ochiul uman percepe aproximativ lungimile de undă dintre 380 și 750 de nanometri (un nanometru este o miliardime de metru).

Granițele dintre culori nu sunt nete; spectrul trece continuu de la o nuanță la alta. Dincolo de roșu se află infraroșul, pe care nu-l vedem, dar îl simțim ca pe o căldură, iar dincolo de violet se află ultravioletul, care produce arsurile solare.

Atenție: Nu privi niciodată direct spre Soare, nici cu ochiul liber, nici prin binoclu, telescop sau ochelari de soare obișnuiți. Lumina concentrată și radiația ultravioletă pot produce leziuni permanente ale retinei. La eclipse se folosesc doar filtre certificate, cum se arată în Eclipsele de Soare și de Lună: cum apar și cum le privești.

Cum se comportă lumina: reflexie, refracție, dispersie

Când întâlnește un obiect, lumina poate fi reflectată, absorbită sau poate trece prin el, schimbându-și direcția. Aproape tot ce vezi este rezultatul unei combinații a acestor trei comportamente.

• Reflexia este întoarcerea luminii de pe o suprafață. Pe o oglindă, unghiul de reflexie este egal cu unghiul de incidență, de aceea imaginea e clară; pe o foaie de hârtie, lumina este împrăștiată în toate direcțiile.
• Refracția este schimbarea direcției luminii când trece dintr-un mediu în altul, de exemplu din aer în apă, pentru că își schimbă viteza. De aceea o lingură pare frântă în pahar, iar fundul unui râu pare mai puțin adânc decât este.
• Dispersia este descompunerea luminii albe în culori, pentru că fiecare culoare este refractată puțin diferit: violetul se abate cel mai mult, roșul cel mai puțin.
• Împrăștierea este devierea luminii în toate direcțiile de către particule mici, cum sunt moleculele de aer.

Experimentul cu prisma

În a doua jumătate a secolului al XVII-lea, Isaac Newton a trecut o rază de Soare printr-o prismă de sticlă și a obținut pe perete o bandă colorată, de la roșu la violet. Apoi a făcut pasul decisiv: a trimis o singură culoare printr-o a doua prismă și a arătat că ea nu se mai descompune. Ideea lui a fost că lumina albă nu este „pură”, ci un amestec de culori. Rezultatele au fost publicate pe larg în lucrarea Opticks, la începutul secolului al XVIII-lea.

Sfat: Poți repeta acasă experimentul lui Newton fără prismă: pune un pahar plin cu apă pe pervaz, în lumina directă a Soarelui, și o foaie albă pe podea. Mută foaia până vezi pe ea o mică bandă colorată. Un CD vechi, înclinat spre lumină, arată și el culorile spectrului, prin alt fenomen, difracția.

Curcubeul: cum se formează și când îl vezi

Curcubeul apare când lumina Soarelui intră în picăturile de ploaie, se refractă la intrare, se reflectă pe peretele din spate al picăturii și se refractă din nou la ieșire. Fiecare culoare iese la un unghi ușor diferit, așa că lumina albă se desface într-un arc colorat.

Pentru a vedea un curcubeu, trebuie îndeplinite câteva condiții:

1. Soarele trebuie să fie în spatele tău, iar ploaia în fața ta.
2. Soarele trebuie să fie jos pe cer, la mai puțin de aproximativ 42° deasupra orizontului. De aceea curcubeele apar mai ales dimineața și după-amiaza târziu, de exemplu după furtunile de vară, când cerul se înseninează dinspre vest.
3. Aerul trebuie să conțină picături de apă: ploaie, burniță, ceața unei cascade, stropii unei arteziene sau ai furtunului din grădină.

Curcubeul se formează la un unghi de aproximativ 42° față de punctul opus Soarelui, adică punctul în care cade umbra capului tău. De aceea este, de fapt, un cerc complet, din care de la sol vedem doar partea de deasupra orizontului. Din avion sau de pe un vârf de munte se poate vedea uneori cercul întreg. Roșul este mereu pe exteriorul arcului, iar violetul pe interior.

Curcubeul dublu

Uneori apare și un al doilea arc, mai slab, la aproximativ 51°, cu culorile în ordine inversă: roșul pe interior. Se formează prin două reflexii în interiorul picăturilor. Între cele două arcuri, cerul pare mai întunecat; zona se numește banda lui Alexandru, după filosoful grec Alexandru din Afrodisia, care a descris-o primul.

Haloul din jurul Lunii, cercul palid pe care îl vezi uneori în nopțile reci, apare când pe cer sunt nori subțiri și înalți, formați din cristale de gheață. Fazele în care Luna este suficient de luminoasă pentru asemenea fenomene sunt explicate în Fazele Lunii: de ce își schimbă Luna forma pe cer.

De ce cerul e albastru

Cerul este albastru pentru că moleculele de azot și oxigen din aer împrăștie lumina cu lungime de undă scurtă mult mai puternic decât pe cea cu lungime de undă mare. Fenomenul se numește împrăștiere Rayleigh, după fizicianul englez Lord Rayleigh, care l-a explicat la sfârșitul secolului al XIX-lea.

Diferența este mare: lumina albastră este împrăștiată de câteva ori mai puternic decât lumina roșie. Când privești spre orice punct al cerului, departe de Soare, ajunge la ochiul tău mai ales lumina albastră, împrăștiată de aer din direcția razelor solare.

Atunci de ce nu e cerul violet?

Lumina violetă este împrăștiată și mai puternic decât cea albastră, dar cerul nu ni se pare violet din trei motive: Soarele emite mai puțină lumină violetă decât albastră, o parte din violet este absorbită în atmosfera înaltă, iar ochiul uman este mult mai puțin sensibil la violet. Amestecul rezultat este perceput drept albastru deschis.

De ce norii sunt albi

Picăturile de apă din nori sunt mult mai mari decât moleculele de aer, iar particulele mari împrăștie aproape la fel toate culorile. Amestecul tuturor culorilor înseamnă alb. Norii foarte groși par cenușii sau aproape negri pe dedesubt pentru că lumina nu mai reușește să treacă prin ei. Despre straturile atmosferei și compoziția aerului citești în Atmosfera Pământului: straturile ei și rolul fiecăruia.

Pe Lună, care nu are atmosferă, cerul este negru chiar și ziua, iar stelele s-ar vedea alături de Soare dacă ochiul nu ar fi orbit de lumina lui.

De ce apusurile sunt roșii

La răsărit și la apus, lumina Soarelui străbate un strat de aer mult mai gros decât la amiază, pentru că vine razant, aproape paralel cu suprafața Pământului. Pe acest drum lung, aproape toată lumina albastră este împrăștiată lateral, iar la ochiul tău ajung mai ales culorile cu lungime de undă mare: galben, portocaliu și roșu.

Apusurile sunt deosebit de colorate când în aer se află particule fine, de exemplu praf, fum de la incendii îndepărtate sau cenușă vulcanică. Un amănunt interesant: pe Marte, unde atmosfera conține mult praf fin, apusurile au o nuanță albăstruie în jurul Soarelui, invers decât pe Pământ. Detalii despre planeta roșie găsești în Sistemul Solar: planetele, lunile și distanțele explicate.

De ce au obiectele culori

Un obiect are o anumită culoare pentru că absoarbe o parte din culorile luminii care cade pe el și le reflectă pe celelalte. O frunză este verde pentru că pigmentul ei, clorofila, absoarbe mai ales lumina roșie și albastră, pe care o folosește la fotosinteză, și reflectă verdele.

• Un obiect alb reflectă aproape toate culorile.
• Un obiect negru le absoarbe aproape pe toate și transformă energia luminii în căldură; de aceea un tricou negru sau o mașină neagră se încălzesc mai tare vara.
• Un obiect roșu reflectă roșul și absoarbe restul. Sub o lumină pur albastră, el ar părea aproape negru, pentru că nu are ce roșu să reflecte.

Transformarea luminii în căldură este un exemplu de conversie a energiei radiante în energie termică, descrisă în Energia: formele ei și legea conservării pe înțeles.

Amestecul aditiv și amestecul subtractiv

Culorile se pot combina în două feluri, cu rezultate foarte diferite.

Pe un ecran, fiecare punct este format din trei subpixeli mici, roșu, verde și albastru. Variind intensitatea lor, ecranul produce milioane de nuanțe. Galbenul de pe ecran, de exemplu, este de fapt roșu plus verde, fără niciun pic de lumină galbenă propriu-zisă.

Cum vede ochiul culorile

Ochiul percepe culorile datorită unor celule sensibile la lumină din retină, numite conuri. Omul are trei tipuri de conuri, sensibile mai ales la lumina cu lungime de undă scurtă, medie și lungă, adică aproximativ la albastru, verde și roșu. Creierul compară semnalele celor trei tipuri și construiește senzația de culoare.

Pe lângă conuri, retina are bastonașe, mult mai sensibile la lumină slabă, dar care nu disting culorile. De aceea, în amurg și noaptea, lumea pare în nuanțe de gri, ca în vorba populară „noaptea toate pisicile sunt negre”.

Unele persoane au conuri care funcționează diferit sau lipsesc, situație numită deficit de vedere cromatică, cunoscută popular ca daltonism. Cea mai frecventă formă face dificilă deosebirea roșului de verde și este mult mai des întâlnită la bărbați decât la femei. Testarea se face la medicul oftalmolog, cu planșe speciale; informațiile de aici au caracter general și nu înlocuiesc un consult de specialitate.

Multe animale văd culorile altfel: albinele percep ultravioletul, iar câinii au doar două tipuri de conuri. Pentru o privire de ansamblu asupra fizicii, de la mișcare la atom, citește ghidul Fizica pe înțeles: legile care explică lumea din jur, iar pentru o altă undă din viața de zi cu zi, vezi Sunetul: cum se propagă undele și de ce auzim ecoul.

Esențialul în câteva rânduri

Lumina este o undă electromagnetică, iar culorile corespund lungimilor ei de undă, de la violet la roșu. Lumina albă este un amestec, pe care prisma și picăturile de ploaie îl descompun prin refracție și dispersie, formând curcubeul. Cerul este albastru pentru că aerul împrăștie mai ales lumina albastră, apusurile sunt roșii pentru că lumina străbate mult aer, iar norii sunt albi pentru că picăturile mari împrăștie toate culorile la fel. Obiectele au culoare pentru că reflectă doar o parte din lumină, iar ochiul o percepe cu trei tipuri de conuri.

De reținut:

• spectrul vizibil se întinde aproximativ între 380 și 750 nm;
• curcubeul apare cu Soarele în spate, la circa 42° de punctul opus Soarelui;
• cerul albastru se explică prin împrăștierea Rayleigh;
• ecranele amestecă lumină roșie, verde și albastră, imprimantele pigmenți;
• nu privi niciodată direct spre Soare.