La Fisica dei Colori
di Giulio Bertagna
Prima di iniziare a parlare dell'aspetto fisico del colore, vorrei sottolineare due punti di analisi relativi alla nostra percezione.
Innanzitutto vorrei che consideraste quanto la nostra percezione, intesa in senso generale, sia limitata:
- per poter vedere qualsiasi cosa e ammesso che i nostri occhi e il nostro cervello funzionino egregiamente, abbiamo bisogno di un minimo di luminosità, cioè di una minima presenza di luce; al buio assoluto siamo completamente ciechi.
- per poter udire anche il suono più assordante abbiamo bisogno di essere immersi in un "mezzo" di trasmissione delle onde sonore (ad es. i gas che costituiscono l'atmosfera nella quale viviamo); in mancanza di ciò siamo completamente sordi. Comunque sappiamo bene che il cane è in grado di percepire suoni al di sopra e al di sotto della nostra soglia uditiva (ultrasuoni_oltre 20.000 Hertz di frequenza e infrasuoni _sotto a 16Hertz di frequenza).
- in quanto all'olfatto sappiamo bene di essere molto meno percettivi del solito cane di cui sopra e comunque la presenza di un "mezzo" come l'aria è indispensabile. (Non sono un cacciatore, ma so che le battute di caccia vengono organizzate all'alba per la maggiore presenza di umidità nell'aria che favorisce ulteriormente il già fine odorato dei cani).
- il tatto, unitamente alle nostre esperienze ci suggerisce la consistenza di un oggetto, la sua temperatura, la qualità della superficie, ma abbiamo bisogno di essere quasi a contatto fisico dell'oggetto stesso per poterlo toccare.
- il gusto è forse il meno evoluto dei nostri sistemi percettivi in rapporto alla distanza: dobbiamo addirittura "assaggiare" un qualche cosa per comprenderne le qualità e per di più, senza l'ausilio dell'olfatto e della vista, rischiamo di commettere grossi errori di valutazione. Percezione generale molto limitata quella dell'essere umano ma, evidentemente, in grado di farlo sopravvivere ed evolvere meglio delle altre forme di vita terrestri; quindi più che sufficiente anche in rapporto all'intelligenza di cui è dotato.
L'ordine nel quale ho preso in considerazione i nostri sensi non è casuale e, come avrete notato, parlando del gusto ho accennato alla "distanza". Il sistema percettivo più efficace per la sopravvivenza è quello che ci consente di pre-vedere gli eventuali pericoli con un buon anticipo e a distanza di sicurezza grazie all'osservazione del luogo dove ci troviamo (o dove intendiamo avventurarci) e delle condizioni generali. La vista risulta quindi vincente.
Il secondo punto è proprio relativo al "mezzo". Per vedere non occorre alcun "mezzo" di propagazione, anzi, nello spazio gli astronauti ci vedono molto meglio di chi si trovi sulla Milano-Bologna in una nebbiosa mattina d'inverno! Per vedere non abbiamo bisogno del contatto fisico con l'oggetto, anzi, come sappiamo, possiamo restarne ben lontani. Ebbene tutto ciò ha creato nel nostro inconscio l'idea che il vedere non ci coinvolga minimamente da un punto di vista fisico, cioè di poter osservare una qualsiasi cosa senza che essa svolga una qualche azione su di noi, e questa è un'idea sbagliata ovvero, a essere meno drastici, è un'idea vera solo in minima parte, perché il fatto che noi possiamo osservare un oggetto seppure lontanissimo da noi, lo dobbiamo al fatto che esso riemetta una sufficiente quantità di fotoni da arrivare alla nostra rètina.
Il meccanismo della percezione visiva può essere riassunto come segue:
- Le cose illuminate riemettono una parte della luce, la quale arriva ai nostri occhi e vi penetra.
- I nostri occhi elaborano la luce riemessa da un oggetto codificandone forma, rapporto chiaro-scuro e colore.
- Queste diverse codifiche vengono inviate al cervello che ce le fa percepire attivandosi in diverse aree ben identificate dalle Neuroscienze.
- La percezione visiva avviene quindi grazie al cervello e nel cervello stesso: è quindi "virtuale" come i nostri pensieri e la nostra immaginazione e, come questi, in grado di provocare risposte emotive ed atteggiamenti psicologici diversi.
- La visione è un'interpretazione intersoggettiva (comune a tutte le persone) della realtà che ci circonda ma, attivandosi in sinergia con le complessità del pensiero e della situazione psicologica dell'individuo, assume anche delle connotazioni di soggettività. Questa sequenza può sembrare astrusa ma diviene estremamente naturale con un esempio del quale vorrete perdonare la banalità: due sorelle stanno osservando un uomo né bello né brutto che sta andando loro incontro. Tutte e due stanno osservando la stessa persona e la percepiscono visivamente nello stesso modo. Tutte e due gli sorridono ma mentre per la futura cognata è un uomo come tanti, per l'altra è l'uomo più bello in assoluto.
è quindi importante acquisire questo concetto: la luce interagisce con la materia che incontra sul suo cammino (che in condizioni normali ha un andamento radiale e una velocità di 299.792 Km/sec nell'atmosfera terrestre); a seconda del modo in cui interagisce, creerà i presupposti perché questa materia ci appaia più o meno visibile e differentemente colorata. La luce è energia elettromagnetica visibile solamente nel momento in cui si imbatte in un una qualsiasi materia (riparlando di astronauti: essi percepiscono lo spazio come nero, ma guai se non avessero le tute spaziali a proteggerli dall'energia solare priva del filtro atmosferico!).
La luce è quindi un'energia resa visibile dal suo diffondersi, riflettersi, "riemettersi" dopo aver interagito con la materia.
Vediamo quindi i significati di "interazione con la materia" e "riemissione". Innanzitutto dobbiamo considerare il fatto che l'energia che chiamiamo "luce" è costituita da un'unità energetica denominata "fotone" o "quanto di energia". I fotoni, che siano di origine naturale (Sole) o artificiale (fuoco, candela, lampadina...), il ché non determina differenze nella loro qualità, viaggiano sempre alla velocità di 299.792 Km/sec; cambia ovviamente la loro quantità a seconda della fonte. Ad esempio una lampadina da 100 Watt emette cento miliardi di miliardi di fotoni al secondo e lascio alla vostra immaginazione la quantità di fotoni alla quale ci sottoponiamo in un'ora di bagno di Sole sulla spiaggia!
I quanti di energia costituiscono quindi l'unità dell'energia elettromagnetica che noi siamo in grado di percepire come luce solo entro certi limiti di soglia (un po' come per il suono); se siamo al di sopra della soglia si parlerà di ultravioletto, se sotto si parlerà di infrarosso che percepiremo come calore e non più come colore. I quanti che rientrano nel visibile sono appunto anche chiamati fotoni (dal greco "phòs"= luce di cui il genitivo "photòs" sta a significare "della luce" in quanto ad essa attinente). I fotoni oscillano maggiormente quando hanno una carica energetica maggiore, ma relativamente alla nostra capacità di discriminare i colori, sono riconducibili a circa 380 gruppi energetici che si differenziano tra loro, appunto, in base alla differente frequenza di oscillazione.
Ma, come abbiamo visto, i fotoni viaggiano tutti alla stessa velocità, ciò significa che quelli che oscillano più velocemente descriveranno una sinusoide più fitta rispetto a quelli che oscilleranno con una minore frequenza. La distanza tra i culmini delle onde descritte corrisponde alla così detta "lunghezza d'onda".
Ad una lunghezza d'onda corta corrisponderanno quindi fotoni di alta energia (oscillanti ad alta frequenza), mentre ad una lunghezza d'onda lunga corrisponderanno fotoni di bassa energia ((oscillanti a bassa frequenza).
Ho parlato della nostra capacità di distinguere la differenza tra un colore e un altro perché è grazie ai fotoni che noi possiamo vedere le cose intorno a noi e pure a colori e quindi affrontiamo il tema "nocciolo" di tutta la questione che chiamiamo "colore".
Tutti gli oggetti sono formati da materia, quindi da atomi che, come saprete, sono composti da un nucleo intorno al quale ruotano uno o più elettroni. Ogni elettrone possiede una certa energia che, in condizioni di equilibrio, lo fa ruotare intorno al nucleo atomico secondo una ben determinata orbita.
Ma ecco che arriva la luce, ovvero la nostra materia (supponiamo che si tratti di una bella fragola di bosco) viene illuminata: che succede?
La fragola sarà investita da miliardi e miliardi di fotoni i quali, arrivando sugli atomi costituenti la superficie della fragola, interagiranno con gli elettroni nel seguente modo:
i fotoni di alta energia, disponendo del "pacchetto" di energia necessaria perché alcuni tipi di elettroni del tipo di atomi che compongono la superficie della fragola siano in grado di passare ad un orbita più esterna, vengono assorbiti da questi. Anche i fotoni di media energia verranno assorbiti da altrettanti elettroni, mentre i fotoni di bassa energia non troveranno elettroni in grado di assorbirli ma saranno da essi riemessi verso l'esterno. Questi fotoni riemessi arriveranno ai nostri occhi, vi penetreranno arrivando fino alla rètina dove incontreranno cellule gangliari, cellule bipolari, bastoncelli e coni che si attiveranno consentendoci di :
- vedere la forma della fragola
- percepirne i chiari scuri
- avere quella sensazione che chiamiamo "rosso fragola".
Sorge a questo punto una domanda: e i fotoni assorbiti? Come abbiamo visto si sono annullati cedendo totalmente la loro energia agli elettroni che li hanno assorbiti, i quali, con quell'energia in più hanno avuto la possibilità di passare ad un orbita atomica più esterna un po' come se, resi più pesanti, avessero subito l'effetto di una forza centrifuga maggiore. Ma l'equilibrio atomico è una regola cosmica alla quale non si può sfuggire ed ecco che subito dopo gli elettroni "pompati" cedono quell'energia che non gli spetta disperdendola sotto forma di infrarosso, cioè di calore, per poter ritornare nella loro orbita originaria; le fragole al sole si scaldano
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