科学探索色彩之谜-色彩的艺术

1611年，达尔马提亚的修道士德米那斯已经写了关于光的三棱镜现象的论文，但是，他的有关色彩研究，并没有超越亚里士多德学派的认知。

1646年，耶稣教会教士阿塔纳斯·珂雪在世时，发表了大量论文，涉及细菌学、医学、声学、天文学、力学和色彩理论等方面。这些论文与观点当时都是超越时代的。他在罗马出版了光学著作《伟大的光影艺术》，其中出现了一张色彩序列的示意图。

1664年，爱尔兰化学家罗伯特·波义耳也曾研究物体的颜色，他认为物体的颜色并不是属于物体的、带实质性的性质。他发表了理论与实践并重的著作《关于色彩的实验与思考》。在这本书里，他明确阐述了色彩分级分类的理论。科学家笛卡尔、胡克等也探讨过白光分散或聚集成颜色的问题。

直到1666年，英国物理学家艾萨克·牛顿把光的棱镜现象从实验到理论系统地加以证实，并得出在色彩物理学上划时代的结论：“色散实验”及理论。1704年，牛顿发表了英文著作《光学》，总结了他在这一领域的全部成果，发现并解释了色彩的产生源于光的传播与色散现象；与光一样，色彩是可以量化的，对色彩进行了科学分类与排序。这些被后代学者与科学家不断验证其正确性与科学性，他坦承自己无法给出所有问题的答案，并且留下了30个问题待后人去解答。17世纪末，色彩的历史翻开了一个新的篇章，它的影响力在不同的领域，用不同的方式，一直延续到今天，影响着每一个人的生活。与牛顿同时代的英国科学家布鲁斯特提出的理论，是建立在颜料混合的基础上的，他发现利用红、黄、青三种颜料可以混合出包括光谱七色在内的一切颜色：红、黄、青是三原色的三原色说。

17世纪，法国物理学家马里奥特观察到：不仅光谱的七色光可以混合成白光，红、绿、蓝三色光也可以混合成白光，为“色光三原色”。他还发现了眼睛的“盲点”。英国物理学家帕尔玛首次将色光三原色理论与色视学联系起来。

19世纪初，英国物理学家托马斯·扬真正对色视觉提出了合理解释。牛顿在《光学》的论著中提出光是由微粒组成的。在其后的将近一百年时间里，人们对光学的认识几乎停滞不前，直到托马斯·扬，继续推动光学的发展，才重新开启光学真理的新篇章，为以后的研究者指明了方向。

托马斯·扬通过独特的实验，成功地证实了光具有波动性，光的分离显示了光所呈现的颜色只不过是表示波长不同的一种方式，阐明了光的波长、频率及光所呈现的颜色三者之间关系的秘密。托马斯·扬第一次测量了7种光的波长。1802年，托马斯·扬提出了色光三原色的原理（RGB），这三色光不仅可以混合出白光，还可以按不同比例混合得到光谱中所有色光。“视网膜”每一个最小组成部分能接受和传递三种不同感觉：长光波（红）、中光波（绿）、短波（紫）。托马斯·扬的研究认为，由于各种颜色视觉是按感红、感绿、感蓝3种视色素所受刺激的兴奋程度的不同比例来合成的，因此眼睛就能看到各种不同颜色；或者说，人眼感觉色彩好像是色光三原色按不同比例混合可以产生其他各种色光，如果色光能在屏幕上混合，那么它们在视网膜上进行混合就是合乎逻辑的。关于眼睛中存在三种不同类型的锥体假设，红、绿、蓝是所有色光的原色，也是色觉三原色，他最先建立三原色原理，指出一切色彩都可以从红、绿、蓝这三种原色中得到。直到1965年，此原理通过生理学实验得到了验证，托马斯·扬成为生理光学的创始人。

托马斯·扬的波动理论和色视觉理论被英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦发现并发展。麦克斯韦列出了表达电磁基本定律的四元方程组，并把光学与电磁学统一起来，称为电磁说。他把光看作范围很宽的连续的电磁辐射波谱的一部分，人们能够识别光，因为眼睛能感受到这一部分的波谱；包括光在内的所有电磁辐射波，在真空中以每秒30万千米的速度，光是一种人眼可见的电磁波，它可以传播、过滤，也可以反射。他还以托马斯·扬的色视觉理论对彩色摄影进行研究，制作了世界上第一张彩色照片，用滤色片把物体分离红、绿、蓝三种色，可以拍摄彩色照片；他确定了波动说，解释了当时观察到的所有光色现象。麦克斯韦证实：任何颜色都可以由3种基本色组合而成。三原色混色的理论，被看成是现代色度学基础。

1809年，植物学家詹姆斯·索维尔绘制了特殊色彩图表^[1]，使用普鲁士蓝、胭脂红与藤黄三种颜料来表示三原色。

1810年，德国科学家约翰·沃尔夫冈·冯·歌德发表了《论色彩学》，驳斥与质疑了“牛顿学派”的观点，扭转与发展了当时极受认可的牛顿提出的关于光学物理的各项理论，如原色的概念，将研究方向集中在视觉色彩，而不是光学现象上。他绘制了色彩色轮图表案例来表达，他的色彩理论对颜色的性质没有真正解释，但是包含了很多方面的美学性质，为色彩学的推进与发展做出了重要贡献。歌德把色彩概括成三类：①属于眼睛的色，即生理的色；②属于各种物质的色，命名为化学色；③通过镜片、棱镜等媒介手段看到的色，称为物理色。歌德创造了一种三角形的色彩图表。他提出所有色彩都出自光与影的明暗配合，阴影当作色彩来讨论，把阴影当作色彩的透明程度，提出色彩的共时对称和连续对比。色彩有两个基本色质——黄与蓝。他研究色彩对比关系，把人的感情与颜色联系起来，红与绿、黄与蓝、橙与紫对比关系，组成一个六色色相环，相对颜色为补色关系，如正负色、正暖色、冷负色，幸福和喜悦、寒冷与黑暗；青派生出紫，暗示悲哀和胆怯。他把红色与美丽联系在一起，橙色与高贵联系在一起，黄色与好联系在一起，绿色与有用联系在一起，蓝色与普通联系在一起，紫色与不必要联系在一起，还解释了眼睛在感知色彩过程中的积极作用，为现代色彩学开辟了一条新的道路——色彩心理学（图1-5）。

图1-5　歌德绘制的色相环(www.xing528.com)

19世纪中叶，德国科学家赫尔曼·路德维希·斐迪南德·冯·亥姆霍兹重新发现并加以发展托马斯·扬的学说，对视色彩学研究，从物理学关于色彩的成因的研究基础上，开创了一个全新的领域——色视学，研究眼睛和神经系统怎样利用光波的能量建立一个彩色世界。这属于色彩生理学范畴。

亥姆霍兹研究颜色感受器理论，通过三种颜色感受器的事实进行验证，而且黑色与白色代表光线的强度。他改进托马斯·扬的视觉细胞中锥体感觉器对原色的反应方式，认为视锥体细胞不只接受一种颜色的刺激，而是受一种颜色的刺激最强，而受其他两种颜色的刺激较弱。纯红光能强烈地刺激对红光敏感的感受器，而其他两种颜色的色光只能很微弱地刺激，预示产生红色感觉。纯黄光能适度激活红光和绿光感受器，并稍微激活紫色感受器，预示产生了黄色感觉。他不但指出了色觉多样性的生理基础，还奠定了色彩混合理论，就是为什么颜色是“减饱和”并会失去它的浓度。亥姆霍兹做了大量的实验发展了托马斯·扬的理论，被命名为“扬-亥”学说或“三联学说”。

同时期，德国生理学家、心理学家埃瓦尔德·赫林发展了托马斯·杨、麦克斯韦、亥姆霍兹等人提出的三原色理论，通过三种颜色感受器的事实进行了验证，而且黑色与白色代表光线的强度。赫林在感觉器官生理学方面享有盛名，强调知觉的心理学。他对色盲进行研究，阐述了色视觉理论，不同颜色的光进入眼睛后可以混合起来。他提出四色说，认为视觉系统是建立在对立色彩基础上的，后来被埃尔温·薛定谔证明这两种理论在数学上是对应的。

赫林认为：“真正的”原色是红、绿、黄、蓝四色。红-绿、黄-蓝配对的重要情况是它们互补而又互相对立，人能看见带红的蓝色或带绿的黄色，但不能看见带红的绿色。每一对中的配偶色，似乎也是互相需求、互相引出的。中性灰色围以绿色略呈红色，就是被谢弗勒尔称为同时对比的色彩现象。色视觉的另一种现象是视觉残像。他认为，视网膜里的光感受器仅仅是光的吸收体，“用于捕捉的材料”颜色的辨别是视觉系统更深处的编码器［编码器有3种：传递黑白信号、红-绿信号、黄-蓝信号（看到红色、绿色关闭，不能同时活动）］，并强调这些反应并非孤立，而是与整个视觉系统相互联系。精神系统中发生的反应能引起附近神经纤维对抗，人眼的视觉残像就是一个特别简单的例子。有意思的是，赫林与亥姆霍兹一生都持续进行激烈的科学论战。现在众所周知，他们都是正确的。

扬-亥三色学说、赫林四色学说与现代科学研究结果证明，它们是相互容忍、相互包容的，眼睛的色感受器是视网膜上的视锥细胞，有3种光敏色素对蓝光波段敏感，对绿光和红光波段敏感。赫维奇夫妇将赫林的观点系统化并成为研究色知觉的一条清晰而精密的途径。

1905年，科学家阿尔伯特·爱因斯坦根据马克斯·普朗克的量子理论说，认为光的波动理论是不完全的，假设光并不仅是一种简单的电磁波，同时也是一束光子，归根到底，光可能具有某些粒子特性，即“波粒二象性”，光被称为光子。原来光这种充满宇宙的既平常又神秘的东西，只不过是电磁波谱中很小的可见部分，既有波动性又有粒子性，互相补充、互为主导。光是一种可传递的能量，光能把丰富多彩的外部世界传递到人的眼睛。

西方色彩学研究是建立在自然科学基础上，以严谨的设想与实践不断深入，沿着这种方法与思路作分析研究，产生了以光色原理为基础的色彩学体系。20世纪末，科学家才对有关色彩理论与颜色的定义逐步达成统一的看法。

【注释】

[1]A New Elucidation of Colours, Original Prismatic and Material: Showing Their Concordance in the Three Primitives, Yellow, Red and Blue: and the Means of producing, measuring and Mixing Them: with Some Observations on the Accuracy of Sir Isaac Newton.