Masarykova univerzita v Brně

Pedagogická fakulta

Katedra fyziky

Vnímání barev

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Vedoucí diplomové práce: Vypracoval:

RNDr.Jindřiška Svobodová, Ph.D. Adam Jančovič

Učitelství pro 2. stupeň ZŠ

V Brně 4.4. 2005 ______________________

Děkuji RNDr.Jindřišce Svobodové, Ph.D., vedoucí diplomové práce, za cenné rady a připomínky, které mi v průběhu vypracování této diplomové práce poskytla. Mé poděkování patří také panu Mgr. Václavu Piskačovi zejména za jeho návrhy srozumitelnějších formulací popisujících mé pokusy.

Úvod

Problematika vnímání barev a jejich působení na člověka je dosti opomíjena, ač se s barvou a jejím působením na nás setkáváme již od svého narození a pak v průběhu celého našeho dalšího života. O tom jsem se přesvědčil už při hledání literatury pro tuto diplomovou práci i při rozhovorech s lidmi, kteří by měli být do těchto souvislostí zasvěceni. Ale i lidé, kteří se barvami nikdy důkladněji nezabývali, často vůbec nevěděli, co je to barva, čím to je, že jedna květina je červená a druhá žlutá. Proč je tráva zelená? A nebe modré? Kde získala duha na obloze své barvy? Barva je podobně jako třeba číslo jen abstraktní, nehmatatelný pojem, neboť svět kolem nás je ve skutečnosti nebarevný. Všechny barvy jsou totiž ukryty ve světle, které se našemu zraku zdá bezbarvé. Ze světla se však barvy rodí, ve světle barvy žijí a bez světla barvy zanikají.

Člověk je přitom po celý život vystaven působení barev. Barvy provázejí člověka na každém kroku. Ale nejsou pro nás jen tím, co vidíme, nepoddávají se jen pasivně našemu zraku, působí i na naši psychiku, ovlivňují naše city a naše jednání. Je těžké si představit, jak by svět vypadal bez barev. Již od nejútlejšího dětství pokládáme za samozřejmé, že všechno kolem nás vidíme barevně. První barvy jsme spatřili hned poté, co jsme poprvé na tomto světě otevřeli oči, proto barvy neodmyslitelně patří k lidskému vnímání. Barva je to první, co vnímáme, pak teprve vnímáme tvary, detaily,... Je pro nás často jednodušší si vybavit barvu předmětu než například jeho tvar.

Kdybychom neviděli barevně, byl by náš vnitřní svět mnohem chudší. Přišli bychom o mnoho duševních a citových zážitků a náš způsob života by byl podstatně odlišný od toho současného. I naše řeč by ztratila na své barvitosti, nemluvě o tom, jak by vypadaly básně a literatura a co by zbylo z malířství.

Ve své diplomové práci jsem se zaměřil na barvy, na to, proč a jak barvy vidíme, jak si barevné vidění v průběhu dějin lidé vysvětlovali, jak vidí barvy jiní živočichové, lidé s poruchami barevného vnímání, z jakého důvodu máme některé barvy raději a proč jiné odmítáme, zda vnímáme barvy i jinak než zrakem, jak vznikají světelné efekty a jak na nás barvy působí. Doufám, že moje práce přispěje k lepšímu pochopení vnímání barev lidmi.

Pro volbu tohoto tématu jsem se rozhodl z několika důvodů. Lidské vnímání barev a jeho působení na člověka ač je velmi zajímavé a je zkoumáno mnohými oborovými odvětvími, jako celek zatím není detailně prozkoumáno. Například ve fyzice se světlo, jenž je původcem barev, popisuje jak vlnovou teorií světla tak i korpuskulární teorií. Rozhodl jsem vytvořit práci, v níž jsem se pokusil shromáždit podstatné a doposud získané poznatky o barvě, jejím vnímání a jejím fyziologickém a psychologickém působení na člověka. Lidé by si měli uvědomit, že barva není jen něco samozřejmého, nad čím se ani většina z nás nezamyslí, ale že barvy aktivně působí na náš život a že ho i výrazně ovlivňují a obohacují.

1. Historie poznání povahy světla

Prolog

Podstatou víry je, že se něčemu věří. Podstatou vědy není často o mnoho víc. Nebo aspoň dlouho nebylo. Samostatné uvažování věda dokonce po staletí zavrhovala, experimenty byly zakázány. Věda měla věřit – a sice tomu, co říkal Aristotelés a ovšem také bible. Bylo o tom možno hloubat, nikoliv to však vyvracet.

1.1. Antické prvopočátky sporu o podstatě světla

V bibli stojí, že světlo stvořil bůh – přednostně před vším ostatním, dokonce o tři dny dříve než slunce. Již v antice se otázku podstaty světla snažil vysvětlit Empedokles, který učil, že světlo má místní pohyb a šíří se mezi zemí a oblohou, aniž to můžeme pozorovat. Jeho hypotézu ovšem rázně odmítl řecký filozof Aristotelés (384 – 322 před Kristem) , jenž byl přesvědčen, že „světlo je bezbarvá, statická matérie, jež je opakem tmy“. Aristotelés, který byl největší autoritou nejen starověké, ale i středověké vědy, postřehl, že existuje nějaká souvislost mezi světlem a barvami. V jeho díle O smyslech je tato úvaha: „Barva jest na předmětech o sobě viditelných; tím „o sobě“ nemyslí se jejich pojem, nýbrž, že příčinu viditelnosti mají v sobě. Každá barva pak jest hybným činitelem toho, co skutečně jest průhledné, a v tom je její podstata. Proto také není bez světla viditelná a každá každého předmětu vidí se jen ve světle“. Světlo je pro Aristotela prostě „něco průhledného“. Průhledný je ale třeba i vzduch, voda nebo i některá pevná tělesa, světlo však „není vůbec tělesem, ani výronem nějakého tělesa – neboť i takto by bylo nějak tělesem…“ Aristotelés vyslovuje nesouhlas s názory Démokrita (asi 460 – 370 před Kristem). Démokrites byl totiž přesvědčen, že světlo je proud částic, které neustále vysílá každý viditelný předmět. Aristotelés však tvrdí, že se ono „průhledné“ šíří asi jako vlnky po vodní hladině. A tehdy začal vědecký spor, jenž se táhne až do dneška – více než dva tisíce let: je světlo vlnění, nebo proud částic?

Aristotelovy názory platily ve středověku za nezvratnou pravdu. Ještě v roce 1583, ani ne sto let před Newtonovým pokusem s hranolem, poznamenal italský filozof Giordano Bruno (1548 - 1600) za pobytu v anglickém Oxfordu, že „mistři bakaláři, kteří nevykládají Aristotela zcela věrně, jsou povinni zaplatit za každou odchylku pět šilinků pokuty“.

1.2 . Novověké pokračování sporu o podstatě světla

1.2.1. Huygensovo vlnění v éteru

Spor o povaze světla se obnovil až v druhé polovině 17. století, kdy spolu soupeřily dvě teorie. První, kterou obhajoval francouzský fyzik Pierre Gassendi (1592-1655), vysvětlovala světlo jako proud drobných částic šířících se nepředstavitelně velkou rychlostí. Druhou teorii předložil francouzský filozof René Descartes (1596-1650), který se domníval, že vesmír vyplňuje určitá látka (nazýval ji „plenum“), která vyvíjí tlak na oči a díky tomuto tlaku podle něj vzniká vidění.

Roku 1690 vydal holandský učenec Christiaan Huygens (1629 -1695) v Paříži spis o vlnové teorie světla nazvaný Traité de la lumiére (Traktát o světle). Huygens byl první, kdo našel rázné argumenty proti Gassendiho korpuskulární světelné koncepci. Své přesvědčení, že světlo tvoří vlny, založil na jednoduché otázce: pokud by světlo tvořily částečky, řekněme třeba malinké letící šípy, jak pak vysvětlit některé optické jevy, které přírodovědci již řadu let popisují? Pokud naopak přijmeme, že světlo tvoří vlny, můžeme snadněji vysvětlit např. lom světla při jeho přechodu ze vzduchu do skla nebo do vody.

Huygens ve svém traktátu tvrdí, že světlo je postupující rozruch, který se šíří postupným vlněním ve světelném éteru, jímž je neviditelná, nezvažitelná látka, která proniká celým vesmírem – tělesy i vzduchoprázdným prostorem. Vlny se šíří ze světelného zdroje všemi směry, podobně jako postupují ve vzduchu vlny zvukové. Huygens analogicky podle zvuku považuje toto vlnění za podélné, tj. za periodické zhušťování a zřeďování prostředí. V hustším prostředí by rychlost světla tedy měla být menší než v prostředí řidším.

1.2.2. Newtonova teorie barev

Newtonovi se však v Londýně hypotetický éter a vůbec celá Huygensova vlnová teorie nějak nezamlouvá. Podle Newtona spíše bude světlo charakteru korpuskulárního. Newton říká ve své Optice (úplný název: Optics or a Treatise of Reflections, Refractions, Inflections and Colours of Light,1704): „…předpokládám, že světlo je něco, co se různým způsobem šíří ze svítících těles…“

Obr. 1 – Titulní strana Newtonovy Optiky čili Traktátu o obrazech, lomech, ohybech a barvách světla

Newtona zajímalo zejména to, jak dochází k barevnému vidění. V této době již fyzikové pozorovali vznik spektra barev, k němuž dochází, když světlo projde skleněným hranolem. Všeobecně se ale přijímalo Aristotelovo vysvětlení, že světlo je bílé a že se průchodem skrze sklo znehodnocuje. Newton se dlouze zabýval pokusy se skleněnými hranoly a čočkami a jako první popsal škálu barev: rozdělil spektrum na sedm základních barev (červená, oranžová, žlutá, zelená, modrá, indigová a fialová – tak jak za sebou následovaly ve slunečním spektru), protože číslo sedm je prvočíslo s určitými mystickými významy a podle počtu tónů v hudební stupnici a počtu dosud známých planet (Newton se podrobně zabýval i alchymií a gnosticismem). K nejdůležitějšímu experimentu došlo, když umístil za sebe dva trojboké skleněné hranoly, jež na sebe navazovaly opačně natočenými podstavami – zatímco první hranol, položený svou boční stěnou ve vodorovné rovině, mířil společnou hranou zbývajících dvou bočních stěn vzhůru, rozložil bílé světlo na duhové barevné spektrum, druhý, položený sice také jednou svou boční stěnou ve vodorovné rovině, ale mířící společnou hranou zbývajících dvou bočních stěn dolů, ten rozložené barvy sloučil zase zpátky. I když světlo prošlo sklem, nebylo znehodnoceno, jak se domníval Aristoteles, ale vrátilo se ke své původní průzračnosti. Díky tomuto pokusu si Newton uvědomil, že bílé světlo není ve své podstatě čisté, ale že obsahuje směs všech druhů barev.

Obr. 2 – Rozklad světla pomocí hranolu

Když Newton poprvé publikoval svoji „teorii barev“, došlo k ostré polemice s jiným anglickým vědcem, Robertem Hookem (1635-1703), který objevil difrakci světla a snažil se v Anglii prosadit Huygensovu vlnovou teorii. Hooke Newtonovy hypotézy zcela odmítl, byl to všestranný vědec, jehož jméno mělo váhu, což i Newton, známý svou arogancí, respektoval (Hooke vysvětlil fungování plic, je autorem termínu „buňka“, formuloval zákon o deformaci pružného tělesa, vysvětlil vznik kráterů na Měsíci jako důsledek dopadu meteoritů, sestrojil barometr a helioskop.).

Je příznačné, že svůj revoluční spis Optika se Newton odvážil publikovat až po Hookově smrti. Newton v Optice zůstal věrný svému rodnému jazyku, knihu ovšem brzy přeložil do latiny (s pomocí Samuela Clarkea), aby byla přístupná všem vzdělancům. Nevěnuje se zde tzv. geometrické optice, ale jde mu o podstatu: Co je to světlo? Jak barvy vznikají? Svoje teorie důsledně vyvozuje z výsledků pokusů, které prováděl, a text je doplněn řadou ilustrujících nákresů.

Korpuskulární teorie světla není teorie špatná. Pokud je světlo opravdu proud letících částic, vysvětluje se tím ledacos. Třeba právě barvy: korpuskule jsou různobarevné a jejich smíšením vzniká bílé světlo, podobně jako směs prášků různých barev bude bělavá, přestože si každý prášek zachová svou vlastní barvu. Nebo odraz světla: částice se odrážejí jako míče. Lom světelných paprsků a vznik spektra jsou zřejmě způsobeny tím, že na rozhraní dvou prostředí, například prostředí vzduch – sklo, působí přitažlivé síly.

Všechno ale není jasné. Proč se třeba světlo ve vodě pohybuje pomaleji než ve vzduchu, i když by přitažlivé síly působící na světelné korpuskule v opticky hustším prostředí měly přece jejich rychlost zvyšovat? A existují i další jevy, se kterými si korpuskulární teorie při nejlepší vůli neví rady. Při experimentech s optickými přístroji vědci zjišťují, že si světlo nepočíná vždy tak, jak by mělo. Například, že se ohýbá kolem malých překážek. Prostě je oběhne a pak se opět přímočaře pohybuje v původním směru. Copak se takhle mohou chovat částice?

Více než sto dvacet let trval spor mezi zastánci korpuskulární teorie a přívrženci vlnové teorie světla: ti první měli převahu početní i morální, kterou jim dodává autorita Newtona.

V následujících letech tu a tam někdo zapochyboval a začal obhajovat vlnovou podstatu světla, byl to např. Leonard Euler (1707-1783), jeden z největších matematiků všech dob, který upozorňoval na to, že Newtonova hypotéza nemůže vysvětlit např. difrakční jevy. Za zmínku stojí, že proti Newtonově teorii se postavil i německý básník Johann Wolfgang Goethe (1749-1832) ve své pověstné Nauce o barvách (Farbenlehre, 1810), ale učinil to krajně nevhodným způsobem – jeho alternativní teorie byla zcela nesprávná a z tohoto důvodu je Goetheova Nauka o barvách považována za básníkův nejhorší spis vůbec.

1.2.3. Yungova korpuskulární teorie

Roku 1801 provedl Angličan Thomas Young (1773 - 1829) důmyslný pokus. Světlo svíčky nechal procházet dvěma uzounkými otvory v neprůhledné překážce. Na stínítku objevil, jak Young ostatně i předpověděl, světlé a tmavé pruhy: místa křížení světelných vln. Youngovy matematické důkazy jsou dosti zmatené, ale hlavní důvod, proč angličtí fyzikové s Youngem nesouhlasí, je ten, že Young tímto pokusem vyvrací Newtonovu korpuskulární teorii, což se v Anglii rovná vlastizradě. Korpuskulární teorie kraluje v optice ještě dalších čtrnáct let, než týž pokus předvede členům Francouzské akademie věd sedmadvacetiletý inženýr Augustin Jean Fresnel (1788 - 1827). K pokusu dodá i brilantní matematické zdůvodnění vlnové teorie světla, a přivede ji tak k zaslouženému vítězství. Když se Fresnel po uveřejnění své práce dozví o Youngově pokusu, přizná anglickému kolegovi uctivým dopisem prvenství objevu.

Vlnová teorie světla vynese na světlo jeden starý problém. Světlo je tedy chvění, ale čeho? Vodní částice se vlní u vln na vodě. Zvukové vlny se šíří vzduchem a ostatními kapalnými a pevnými látkami. Otázka je, co chvěje vzduchoprázdným prostorem, když jím proniká světlo?

A tak vznikl koncept „světového éteru“ – éter byl definován jako nekonečně jemné médium, kterým všechny látky pronikají a které současně vyplňuje veškerý prostor kolem nás. Světlo se tedy šíří éterem, ale světelné vlny nejsou podélné, jak myslel Huygens, nýbrž příčné. S pomocí takto zdokonalené teorie dokázal Fresnel vysvětlit všechny v té době známé optické jevy.

Jenže komplikace vznikají s éterem – vypadá to, že tato látka má úplně protichůdné vlastnosti. Příčné vlnění může vznikat jen v pružných tělesech pevného skupenství. Nepatrná vlnová délka světla a jeho ohromná rychlost si však vynucují předpoklad, že éter je neobyčejně pružný. Je zarážející, že by mohl mít větší hustotu než třeba ocel a zároveň se choval jako nehmotný přelud. Přece neklade žádný odpor, nepřekáží pohybu hvězd a planet, ba ani samotným vědcům, jen jejich teoriím. Zarážející je i to, že se žádným pokusem nedá tento přenašeč světelných vln prokázat. Je úplně nepolapitelný.

1.2.4. Maxwellova teorie elektromagnetického vlnění

Problém podstaty světla ale zdaleka neskončil, na počátku šedesátých let devatenáctého století fyzika získává novou teorii. Tuto novou teorii vytvoří v letech 1855 – 1865 Skot James Clark Maxwell (1831-1879), je to teorie elektromagnetického vlnění. Čtyřmi diferenciálními rovnicemi, vyjádří základní vlastnosti elektřiny a magnetismu. Studiem těchto rovnic dospěje k závěru, že „světlo a magnetismus jsou jevy téže podstaty a světlo je elektromagnetický vzruch, který se šíří polem podle elektromagnetických zákonů“. Tak to doslova stojí v Maxwellově Dynamické teorii elektromagnetického pole (1864).

Maxwellova teorie naprosto uspokojivě vysvětluje všechny optické jevy (zákon přímočarého šíření světla, lom, odraz i ohyb světla, interferenci i disperzi – rozklad světla). Vytvoří předpoklady i pro objev nových úkazů, jako třeba rádiových vln. Neobsahuje pouze jediné – jakoukoli charakteristiku éteru a jeho udivujících vlastností.

V mechanické teorii světelných vln byl éter nevyhnutelný, jelikož bez hmotného prostředí by vlny nemohly existovat. Když ale bylo dokázáno, že světlo je elektromagnetické vlnění, situace se zcela změnila. Kolem těles elektricky nabitých existuje elektromagnetické pole vždy – nezávisle na tom, zda éter existuje, nebo ne. A pokud se elektrický náboj začne pohybovat, změny elektromagnetického pole vyvolají elektromagnetické vlny.

Maxwell éter nezavrhl – on jej prostě nepotřeboval, ale mnoho fyziků ještě dlouho nedokázalo přijmout fakt, že světelné vlny nevyžadují ke svému šíření žádné prostředí. Spolehlivě to prokázal až teprve roku 1887 americký fyzik Albert Abraham Michelson (1852 - 1931). Za pomocí přístroje zvaného interferometr se pokusil změřit rychlost světla „zbržděného“ éterem a porovnal ji s rychlostí světla ve vakuu. Zjistil, že rychlost světla je vždy táž : 300 000 kilometrů za sekundu. Což byl důkaz, že žádný éter neexistuje.

Dvanáct let po vyslovení Maxwellovy teorie ji německý fyzik Heinrich Hertz (1857-1894) experimentálně prokázal. „Světlo je elektrický jev“, prohlásil roku 1899 výkvětu německé vědy shromážděnému v přednáškovém sále polytechniky v Karlsruhe, kde předvedl svůj pokus s dipólem. „Všechno světlo – sluneční jas, záře svíčky i světélko, které vydává světluška. Kdyby ze světa zmizela elektřina, bude všude tma.“

A teď bylo konečně jasné, co to vlastně jsou barvy: elektromagnetické vlnění, které má rozličnou vlnovou délku. Každá barva slunečního spektra odpovídá určité vlnové délce světla. Fialové světlo, které je na jednom konci viditelného spektra, má vlnovou délku kolem 420 nanometrů, červené světlo, které leží na opačném konci, má vlnovou délku kolem 700 nanometrů.

Světlo je tedy elektromagnetické vlnění, jenže elektromagnetické vlnění není zdaleka jen světlo. Existují ještě další vlny, které mají stejné vlastnosti – šíří se stejnou rychlostí, odrážejí se, lámou se a ohýbají – ale nejsou vidět.

Při dokazování existence elektromagnetických vln Heinrich Hertz narazil na problém – pozoroval zvláštní jev, pro který nenašel vysvětlení. Zjistil, že některé světelné paprsky uvolňují – vyrážejí – z povrchu kovů elektrony. Energie vyletujících elektronů se přitom neřídila intenzitou světla, ale barvou dopadajících světelných paprsků. Paprsky z  „červené“ strany spektra tento jev nezpůsobovaly, paprsky z „fialové“ strany spektra vyrážely elektrony z povrchu kovu docela snadno. Heinrich Hertz nazval tento jev fotoelektrický jev.

Jak může světelná vlna uvolnit elektron z povrchu kovu a co s tím má co společného barva? Klasická fyzika na tuto otázku hledala dvacet let odpověď.

1.2.5. Einsteinova kvantová teorie světla

V roce 1905 publikoval svoji teorii fotoelektrického jevu mladý a dosud neznámý zaměstnanec Bernského úřadu pro patenty a vynálezy Albert Einstein (1879 - 1955). Pěkně vědcům svojí teorií zamotal hlavu.

Fotoelektrický jev nelze vyložit z hlediska vlnové teorie, zato je výborně vysvětlitelný, pokud přijmeme zavrženou teorii korpuskulární.

Podle Einsteina jsou korpuskule světelná kvanta – fotony. Světlo je v kvantech nejen vyzařováno a pohlcováno, ale také se v podobě kvant šíří. Na této představě vybudoval Einstein kvantovou teorii světla, která snadno fotoelektrický jev vysvětluje. Stačí předpokládat, že jde o střet jednoho fotonu s jedním elektronem. Energie každého fotonu závisí pouze na frekvenci (rychlosti) vlnění a frekvenci vlnění odpovídá barva světla. „Červenému“ záření odpovídá bezmála dvakrát menší frekvence než záření „fialovému“. To znamená, že energie „červených“ fotonů je téměř dvakrát menší než energie fotonů „fialových“. „Červené“ fotony mají moc malou energii na to, aby dokázaly elektrony vyrazit. Světelný éter pro výklad kvantové teorie není nutný. Elektromagnetické vlny jsou složeny z částic, které ke svému šíření žádné další vlny nepotřebují.

Znamená to snad, že vlnová teorie neplatí? Vždyť přece vlnová teorie platí ve všech ostatních případech – copak může kvantová teorie vysvětlit například interferenci?

Ve vědě neexistuje žádné konečné vědění. Víme, že energie na sebe bere podobu světla nebo elektřiny či tepla, dokážeme ji měřit , umíme ji zapřáhnout do práce, ale nemáme tu nejmenší představu o tom, jak vlastně vypadá. Nikdo si nemůže být jistý, zda se světlo skládá z malinkých kuliček, nebo se šíří ve vlnách.

A tak vědci přijali názor, že světlo má povahu korpuskulární i vlnovou. Za určitých okolností se chová jako vlna a jindy zase jako proud částic (fotonů). Toto bude platit tak dlouho, dokud někdo tento názor nevyvrátí.

2. Světlo jako elektromagnetické vlnění

2.1. Rozmanitost elektromagnetického záření

Objektivní příčinou barevného vjemu je světlo. Otázka zní: „Co je světlo?“ Dnes již víme, že světlo je elektromagnetické záření. Charakterizuje se frekvencí ν (eventuálně f), která udává počet vln neboli kmitů za sekundu (jednotkou je hertz), a vlnovou délkou λ. Vlnová délka je důležitý údaj, který se měří jednotkami délky podle druhu záření, a je to vzdálenost mezi stejnými fázemi dvou sousedních vln.

Elektromagnetické záření známe z běžného života – jsou to např. rozhlasové vlny. Rozhlasové vlny však mají rozmanitou vlnovou délku a dělí se proto do pásem: na dlouhé, střední, krátké a velmi krátké vlny. Dlouhé vlny mají vlnovou délku až desítky kilometrů, střední a krátké vlny jsou kratší a ultrakrátké rozhlasové vlny jsou nejkratší – jejich vlnová délka se měří pouze v milimetrech. Rozhlasové vlny patří do oblasti radiových vln, které objevil při svých pokusech Hertz, aniž tušil, že by se někdy mohly k něčemu hodit. Ještě kratší vlny než vlny rádiové mají tepelná záření, např. infračervené záření má vlny dlouhé jen tisíciny milimetru. Infračervenému záření se říká tepelné, protože jej vyzařují teplé předměty – třeba kamna, motor automobilu, lidské tělo – a především Slunce. Takřka veškerá sluneční energie k nám přichází v podobě tohoto záření – díky své dlouhé vlnové délce snadno prochází atmosférou, mlhou i kouřem. Všechno toto záření je pro nás neviditelné – zrakem jej nevnímáme, jsme ale schopni vnímat infračervené záření pokožkou jako teplo. Teprve elektromagnetické záření v rozmezí vlnových délek 700 nanometrů ( dále jen nm ) až 400 nm jsme schopni zrakem vnímat jako viditelné „bílé“ světlo. Elektromagnetické záření o vlnových délkách od 380 nm do 10 nm se nazývá ultrafialové záření a naše oko ho už opět nevnímá. Právě ultrafialovému záření můžeme připsat nejrůznější protichůdné účinky slunečního světla. Je léčivé i nebezpečné, způsobuje opálení ale i úžeh, působí sterilizačně – zabijí mikroby – ale může zničit i buňky a důležité mikroorganismy. V rozmezí 10 nm až 0,01 nm je za ultrafialovým zářením rentgenové záření, které objevil roku 1895 německý fyzik Wilhelm Conrad Roentgen (1845 - 1923) – na jeho počest je toto záření po něm pojmenováno. Rentgenové záření proniká neprůhlednými látkami, prochází snadno lidskými tkáněmi a orgány, ale vápník v kostech ho pohlcuje, právě toho se využívá v lékařství. Ještě kratší vlny než rentgenové záření má záření gama, a to až milióntiny nanometru. Toto záření vzniká např. při radioaktivním rozpadu prvků nebo při výbuchu atomové bomby. Z kosmu přichází záření s ještě menší vlnovou délkou než má záření gama, ale vlastnosti tohoto záření doposud plně neznáme.

Obr. 3 – Spektrum elektromagnetických vln

2.2. Viditelné záření

Dále se budeme zajímat hlavně jen o světelné záření v rozsahu zhruba od 400 do 700 nm. Světelné záření se při přechodu z jednoho optického prostředí do druhého láme (krátkovlnné záření se láme více a dlouhovlnné méně).

Pokud zopakujeme historický pokus Isaaka Newtona – vezmeme trojboký hranol (prizma) a necháme jím ve tmě procházet velmi útlý svazek světelných paprsků, tak se na výstupu světla z hranolu objeví jasné proužky barev od fialové přes modrou a žlutou až do červené. Prochází-li světelný proud speciálním optickým hranolem, je lom světla tak výrazný, že dojde k rozkladu světla na tzv. světelné spektrum, složené z těchto hlavních pásem barevných světel: červeného, oranžového, žlutého, zeleného, modrého a fialového. Nejvíce se lámou nejmenší vlnové délky v rozmezí asi 380 až 430 nm, které vyvolávají vjem fialové barvy, vlnové délky 430 až 490 nm vnímáme jako modré světlo, 490 až 550 nm jako světlo zelené, 550 až 585 nm jako světlo žluté, 585 až 610 jako světlo oranžové a konečně největší vlnové délky světelného záření 610 až 700 nm vnímáme jako světlo červené, které se láme nejméně. Odtud vyplývají názvy záření na obou koncích viditelného spektra – za fialovou je ultrafialová (latinsky ultrá znamená nad, přes, více, apod.), a před červenou je infračervená (latinsky ínfrá znamená dole, vespod, apod.).

Uvedené skupiny vlnových délek však nejsou od sebe ve spektru nijak výrazně oddělené, spektrum je spojité – jedna barva přechází v druhou plynule a zcela neznatelně, takže předěly mezi barvami spektra je nesnadné přesně určit. Dalo by se říci, že co nanometr vlnové délky, to zvláštní barevný tón, i když jen nepatrně odlišný od sousedního.

Obr.4 – Spektrum viditelného záření

Newton svým pokusem dokázal, že bílé světlo není jednoduché a jednotné, nýbrž že je složeno ze spektra barevných světel. V běžném životě jsme se již s rozkladem světla na barevné spektrum setkali – každý již jistě někdy viděl po dešti barevnou duhu na obloze. Kapičky deště působí obdobně jako skleněný hranol a způsobují rozklad bílého slunečního světla na známý oblouk duhových barev. Podobně můžeme pozorovat barvy vzniklé lomem a rozkladem světla např. na hranách nádoby z broušeného skla.

3. Naše vnímání světla

3.1. Stavba oka a jeho činnost

Lidské i zvířecí vidění je vysoce komplexní proces. I přes veškeré pokroky vědeckých znalostí v této oblasti, ale není dosud dopodrobna známo, jak náš zrak přesně pracuje, a to zdaleka nejen třeba co se týká vyšší sémantické analýzy zrakových signálů mozkem (tj. rozpoznávání tvarů, objektů apod.), ale i co se týká procesů, které stojí na úplném počátku vidění, neboli vidění v jeho nejprimitivnější formě – formace zrakových signálů okem. Speciálně sítnice v oku, se svými světlocitlivými receptory a komplikovanými nervovými spojeními, vývojově patřící k mozku, je nesmírně složitý orgán. Jak funguje, je stále ještě do značné míry předmětem teorií a dohadů.

Obr. 5 – Schéma lidského oka.

Na obr. 5 je vidět průřez lidským okem. Světlo vstupující do oka zvenku nejprve prochází rohovkou, pak přední oční komorou, vyplněnou průhledným mokem, poté skrz čočku vstupuje do zadní oční komory, vyplněné taktéž průhledným, rosolovitým sklivcem a nakonec dopadá na její zadní část, jenž je pokrytá sítnicí. Tento proces lze poměrně spolehlivě fyzikálně modelovat – je to podobný princip jako u fotoaparátu. Zornice, která je umístěná mezi přední oční komorou a čočkou, reguluje množství světla do oka vstupujícího, hraje úlohu clony, přední komora a čočka slouží jako objektiv. Závěsný vaz, na kterém je čočka uchycená (tzv. řasnaté tělísko), dokáže pružnou čočku napínat a zplošťovat – dovoluje tak zaostřit na různé vzdálenosti. Sítnici, obsahující světločivné buňky, jenž jsou citlivé na elektromagnetické vlny o vlnové délce zhruba 400 – 700 nm, lze zhruba přirovnat k filmu nebo spíše čipu digitálního fotoaparátu. Na rozdíl od ostatních součástí oka, zde jde jen o podobnost hodně vzdálenou. Zcela odlišné jsou nejen fotoreceptory samotné (jejich druhy, princip fungování, prostorové rozmístění, způsob propojení, ...), ale sítnice sama je současně i složitým procesorem. Obsahuje komplikovaný systém navzájem různě spojených nervových buněk a její funkcí není jen světlo zachytit a přímočarým způsobem ho převést na nervové impulsy, které by byly rovnou prostřednictvím zrakového nervu předávané ke zpracování do mozku, ale sítnice sama signály svých světločivných buněk složitým způsobem zpracovává, než je vyšle dál.

O buňkách, které sítnici tvoří, se už ledacos ví, proces, ke kterému v nich dochází, je do velké míry stále spíš jen předmětem teorií. Doposud neexistuje žádný uspokojivý komplexní model práce tohoto systému, který by funkci sítnice s dostatečnou přesností popsal a vysvětlil, jak přesně dochází ke všem možným jevům pozorovaným při experimentech.

Obr. 6 – Zjednodušené schéma struktury sítnice.

Průřez sítnicí – spíše jen hrubý schematický nákres systému buněk aktivně se podílejících na její práci, bez podpůrných struktur –je zachycen na obr. 6. Světlo do sítnice proniká skrz svrchní membránu a vlákna spojující gangliové buňky s optickým nervem, pokračuje přes samotnou vrstvu jader gangliových buněk, dále pak přes vrstvu výběžků těchto buněk a vláken spojujících je s další vrstvou nervových buněk, obsahující různé druhy bipolárních, ale také amakarinové a horizontální buňky, až k vlastním světločivným buňkám – tyčinkám a čípkům. Tyto buňky mají protáhlý tvar a můžeme si je představit jako světelná vlákna, která vedou světlo. Světlo musí nejprve projít vrstvou synaptických kontaktů spojujícími je s výše jmenovanými vrstvami, vrstvou tvořenou jádry tyčinek a čípků a podpůrnou membránou sítnice, až se úplně nakonec dostane do jejich vnějších segmentů, které obsahují fotocitlivé pigmenty. Fotochemickou reakcí s nimi je světlo převáděno na elektrické signály. Za tyčinkami a čípky se pak nachází ještě jedna vrstva, epitel obsahující tmavý nefotoaktivní pigment melanin, do nějž jsou vnější segmenty světločivných buněk obsahující aktivní pigmenty zanořené. Tento pigment pohlcuje světlo a tím zaručuje jednak to, že světlo do oka vstupuje pouze zornicí, a také to, že se od zadní strany oka neodráží zpět a necestuje napříč mezi fotoreceptory, neboli zabraňuje vzniku reflexů (podobně jako černý vnitřek fotoaparátu).

Signály vznikající ve vnějších segmentech tyčinek a čípků putují sítnicí opačným směrem a jsou postupně nervovými buňkami cestou zpracovávány, až se nakonec výsledné signály dostanou do zrakového nervu a odtud jsou předány až do mozku (konkrétně do jeho týlního laloku) k dalšímu zpracování. Na schématu nervové struktury sítnice na obr. 6 vidíme, že nejenže jsou spolu propojené skupiny sousedících tyčinek i čípků (a to nejen každý typ buněk zvlášť, ale i oba vzájemně dohromady), ale také to, že v obou synaptických vrstvách existuje i síť dlouhých, napříč běžících spojení, která umožňují kombinování signálů ze vzdálenějších buněk. Délka těchto vláken dosahuje až 1 mm, což je v měřítku sítnice, kde v její nejcitlivější oblasti je na 1 mm² natěsnáno i více než 150 000 fotoreceptorů, gigantická vzdálenost.

Klíčovou součástí tyčinek a čípků jsou již zmíněné fotoaktivní pigmenty. Molekula pigmentu se při dopadu světla rozpadne („vybělí“), přitom vznikne elektrický impuls, který je pak dále předáván a zpracováván nervovou sítí. Současně s tím, jak se některé molekuly rozpadají, jsou jiné naopak zpětně regenerovány. Součástí tohoto chemického procesu je vitamín A – proto je pro náš zrak tak podstatný. Jde tu o dynamický systém, jehož stav se neustále mění. Citlivost buněk je úměrná tomu, kolik nevyběleného pigmentu v daném okamžiku obsahují. Množství nevyběleného pigmentu buněk přímo odpovídá intenzitě dopadajícího světla. Této samoregulaci vděčíme nejen za schopnost zraku přizpůsobit se obrovskému rozsahu různých úrovní osvětlení (která daleko přesahuje jen prostou regulaci množství světla dopadajícího na sítnici prostřednictvím změny velikosti zornice), ale také za automatickou barevnou adaptaci zraku. Na této úrovni probíhající barevná adaptace je zcela nezávislá jednak na obsahu scény (tj. rozpoznání objektů, jejichž barvu za normálního, denního světla si pamatujeme – což při vnímání barev také hraje roli), tak i na naší vůli (nemůžeme ji z vlastní vůle vypnout). Adaptace zraku na náhlou změnu podmínek probíhá zpočátku velmi rychle, ale postupně výrazně zpomaluje, k maximální možné adaptaci dojde až po poměrně dlouhé době, např. úplné adaptace na tmu dosáhne oko asi až po 40 minutách. Posvítíme-li si ovšem ve tmě třeba i jen na chvíli baterkou, zrak velmi rychle zareaguje a pak musíme znovu dlouho čekat, než se váš zrak zase znovu plně adaptuje.

3.2. Barevné vidění

Již dávno fyzikové Young a Helmholtz zjistili, že lidské oko skládá barevný obraz se tří dílčích podnětů. Maxwell později (v roce 1861) usoudil, že každý barevný obraz lze složit ze tří jednobarevných dílčích obrazů - tzv. výtažků. Toto složení je umožněno tím, že lidské oko obsahuje tři druhy barevných receptorů, které jsou citlivé zhruba v oblastech 400 nm – 500 nm, 500 nm – 600 nm a 600 nm – 700 nm. Bude-li na sítnici dopadat záření s vlnovou délkou 450 nm, bude podrážděn první typ receptorů, a budeme mít vjem modré barvy. Záření o vlnové délce 550 nm podráždí druhý typ receptorů, a způsobí vjem zelené barvy. Záření o vlnové délce 650 nm podráždí třetí typ receptorů a získáme tak vjem červené barvy.

Obr. 7 – Barevné vjemy způsobené jednotlivými vlnovými délkami

Další zajímavou vlastností oka je skutečnost, že spektrální citlivosti receptorů se částečně překrývají. Pokud tedy budeme receptory dráždit hraniční vlnovou délkou 500 nm, získáme odezvu jak z modrocitlivých, tak i ze zelenocitlivých receptorů, a získáme výsledný vjem azurové barvy. Při dráždění vlnovou délkou 600 nm získáme odezvu ze zelenocitlivých a červenocitlivých receptorů a uvidíme barvu žlutou. Při současném dráždění modrocitlivých a červenocitlivých receptorů získáme vjem purpurové barvy.

Obr. 8 – Křivky spektrální citlivosti tyčinek a čípků

Barevné vidění je především záležitostí čípků, i když existují důkazy, že i tyčinky se na něm mohou za jistých okolností částečně podílet. To, že vidíme barevně, je způsobeno tím, že existují tři druhy iodopsinu – fotoaktivního pigmentu, jež čípky obsahují. Tyto pigmenty jsou spektrálně selektivní a každý druh je citlivý na jiný rozsah vlnových délek. Maximum citlivosti „modrých“ čípků se pohybuje kolem vlnové délky 440 nm, zatímco u „zelených“ čípků je to asi 540 nm a u „červených“ asi 570 nm. Graf přibližně zachycující spektrální citlivost jednotlivých druhů čípků je na obr. 9. Červené a zelené čípky jsou si navzájem hodně podobné - většina savců je na rozdíl od nás dokonce vůbec nemá takto rozlišené a místo nich má pouze jeden typ „žlutých“ čípků (takže vidí pouze dvojbarevně - podobně jako někteří barvoslepí lidé). Vlastnosti modrých čípků jsou podstatně výrazně odlišné. V sítnici je jich mnohem méně, odhadem jen asi 4%. Zelených čípků je asi 32% a zbylých 64% je čípků červených. Pro vysvětlení, proč tomu tak je, existují různé teorie, jedna např. tvrdí, že to snižuje vliv chromatické aberace čočky, jiná zase, že to kompenzuje vyšší podíl kratších vlnových délek v denním světle.

Obr. 9 – Relativní spektrální citlivost čípků.

Tyčinky se od čípků liší kromě rozdílné fyzické stavby a systému nervových propojení především pigmentem, který obsahují. Pigment obsažený v tyčinkách, rhodopsin, je více či méně citlivý na všechny vlnové délky viditelného spektra. Maximum citlivosti se u něj pohybuje kolem 500 nm. Dopadá-li na sítnici intenzivní světlo, dochází ke kompletnímu vybělení a vidění pak zprostředkovávají pouze čípky (tzv. fotopická oblast vidění), a naopak, dolní práh citlivosti čípků je poměrně vysoký, takže za šera vidíme jen díky tyčinkám (tzv. skotopické vidění). Proto, jak ubývá světla, začínáme hůře vidět barvy, až nakonec za šera nevidíme barvy vůbec. Zajímavý efekt, který vzniká při adaptaci zraku na šero, je tzv. Purkyňův jev. S tím, jak ubývá světla, dojde u člověka v jistém okamžiku k znatelnému posunu toho, jak se mu jeví barvy okolních objektů. Zatímco červené objekty se jeví stále méně barevné a tmavší, modré tóny naopak začnou být jasnější, důvodem je to, že zatímco kombinovaná spektrální citlivost čípků má maximum kolem 550 nm, tak maximum citlivosti tyčinek se nachází v okolí 500 nm, a proto s tím, jak čípky přestávají stačit a na vidění se postupně stále více podílejí tyčinky (neboli v tzv. mezopické oblasti vidění), se citlivost oka postupně posunuje směrem ke kratším vlnovým délkám, tj. relativní citlivost na modré světlo roste, zatímco na červené klesá.

Tyčinek je v sítnici asi 20x více než čípků (uvádí se zhruba 120 miliónů tyčinek a 6 miliónů čípků) a jsou propojené ve větších skupinách. To zvyšuje citlivost zrakového vnímání při velmi nízkých hladinách světla, nicméně dochází k tomu na úkor prostorového rozlišení. Za tmy vidíme daleko méně ostře, a proto také nejsme při nedostatku světla schopni číst. Dalším rysem zvyšujícím citlivosti tyčinek je delší časová integrace dopadajícího světla. I když naše oko neobsahuje závěrku, tak nicméně fotoreceptory oka i tak mají svůj jistý „expoziční čas“. Má to za následek např. to, že velmi rychlé blikání se nám slévá (díky tomu může existovat např. film a televize). Při vyšších hladinách osvětlení, kdy vidění zprostředkovávají hlavně čípky, jsme schopni rozlišit změny i 10x rychlejší, než když je náš zrak adaptovaný na tmu.

Obr. 10 – Purkyňův jev

3.3. Odlišnosti ve vnímání barev

Maximální uvažovaný rozsah pro člověka viditelné části elektromagnetického spektra, který se při kolorimetrických měřeních a výpočtech používá, je od 360 nm do 830 nm. Běžně se ale za viditelnou část spektra považuje jen rozsah od 380 nm do 780 nm. Citlivost lidského oka rapidně klesá od 650 nm výše a stejně tak je i malá citlivost pro vlnové délky pod 400 nm. Proto se také často uvádí jen hrubý rozsah 400-700 nm. Díky existenci tří různých druhů čípků v sítnici, citlivých na různé oblasti viditelného spektra, je lidské vidění v principu trojbarevné. Každou okem vnímanou barvu lze vyjádřit jako směs tří nezávislých primárních barev. (Nezávislých znamená, že žádná z nich není kombinací zbylých dvou.) Pouze asi 2,6% mužů a méně než 0,05% žen má vidění dvojbarevné, tzn. k namíchání barvy pro ně vizuálně shodné s jinou danou barvou je zapotřebí jen dvou primárních barev. Zhruba 0,003% populace postrádá barevné vidění kompletně – tito lidé vidí pouze jednu barvu – vnímají pouze jas. I mezi lidmi, kteří vidí trojbarevně, je ale barevné vidění zhruba 5,5% mužů a 0,4% žen klasifikováno jako abnormální (je zde ovšem těžké stanovit přesnou hranici, jedná se o plynulou škálu, od nepatrných rozdílů po velké). V konečném důsledku lze jen 95% lidí klasifikovat jako osoby s víceméně normálním barevným viděním blízkým hypotetickému ideálnímu nebo průměrnému pozorovateli. Poruchy barevného vidění mohou být způsobené jednak odlišnou spektrální absorpcí pigmentů v čípcích nebo odchylkami v poměrném zastoupení jednotlivých fotoreceptorů v sítnici (je např. poměrně běžné, že někomu se tentýž žlutý tón jeví spíš do červena, jinému do zelena), tak i kompletní absencí fotoreceptorů daného typu. Nejběžnější je absence červených nebo zelených čípků, ve většině těchto případů jde o dědičnou poruchu. (To, že je daleko více barvoslepých mužů je způsobeno tím, že tato porucha se přenáší jako recesivní alela na chromozomu X – zatímco muž s jediným X chromozomem je barvoslepý, kdykoli je nositelem této alely, žena, aby byla barvoslepá, ji musí mít současně na obou svých X chromozomech.) Absence nebo nefunkčnost modrých čípků je dosti vzácná a obvykle jde o poruchu získanou. Křivky spektrální citlivosti jednotlivých druhů čípků byly získány pomocí analýzy toho, jak rozlišují barvy lidé trpící různými typy barvosleposti.

Obr. 11 – vnímání základních barev spektra normálním a barvoslepým okem

Kromě toho, že barevné vidění se může více či méně lišit u různých osob, tak se také u téže osoby mění s přibývajícím věkem. A to proto, že buňky sítnice odumírají, také se například čočka stává méně průhlednou a žloutne. Na sítnici starší osoby dopadá mnohem méně světla, které navíc ještě prochází jakoby žlutým filtrem. Vidění je obecně méně ostré, barvy se zdají méně výrazné a modré tóny se jeví mnohem tmavší, než u mladších osob.

Obr. 12 – Hustota fotoreceptorů v různých oblastech retiny

Značný vliv na naše vnímání barev, má také „topografie“ sítnice. V sítnici nejsou různé druhy fotoreceptorů rozmístěné rovnoměrně, jakou barvu vidíme, závisí mimo jiné i na tom, na kterou část sítnice světlo dopadá. Graf zachycující hustotu fotoreceptorů v různých částech sítnice vidíme na obr. 12. Nejcitlivější oblastí sítnice je fovea, nacházející se v oblasti, která je díky pigmentu zde přítomnému známá jako žlutá skvrna. Na sítnici je v těchto místech patrná prohlubeň, která je způsobená tím, že nervové buňky a cévy nad fotoreceptory jsou rozestoupené. Světlu tak brání v cestě méně překážek. Mimo toho je ale také fovea tvořená velice hustě namačkanými čípky, které jsou navíc užší než v jiných oblastech sítnice. Fovea je místem na sítnici, kde vidíme nejostřeji. Tyčinky u většiny lidí ve středu této oblasti sítnice chybí, a jejich koncentrace je největší kolem fovey. V důsledku této nesymetrie, porovnáváme-li větší barevné plochy, jejichž obraz na sítnici nepadne pouze do oblasti fovey, vidíme jejich barvy poněkud jinak, než je tomu u malých ploch. Jinak se nám také jeví barvy u objektů, které vnímáme periferním viděním. Na sítnici je i oblast, kde nejsou vůbec žádné fotoreceptory a kde tudíž vůbec nevidíme – tzv. slepá skvrna. Je to místo, ve kterém z oka vystupuje zrakový nerv.

3.4. Modely barevného vidění

Jak sítnice nervové signály vznikající v čípcích a tyčinkách dál zpracovává, není úplně přesně známo. Už jen to, že fotoreceptorů je přes 100 miliónů, zatímco optický nerv obsahuje jen asi 800 tisíc vláken, ale naznačuje, že dochází k opravdu masivnímu kombinování a procesování signálů. Poměrně dlouho je všeobecně akceptovaná teorie, že mozek z oka nepřijímá přímo signály tyčinek a červených, zelených a modrých čípků (tedy vlastně RGB signál, R – red, červená, G – green, zelená, B – blue, modrá), ale spíše jeden signál reprezentující jas a dva signály zachycující barevnost: jeden určující jak moc je vjem červený nebo zelený a druhý, který udává jak moc je žlutý nebo modrý. S touto teorií „protibarev“ přišel Ewald Hering v roce 1878. Argument, který stál u vzniku této teorie, je, že zatímco jsme schopni vidět různé odstíny modro-zelené, zeleno-žluté, žluto-červené (oranžové) a červeno-modré (fialové), tak neexistuje nic takového, jako žluto-modrá nebo červeno-zelená barva. Tyto barvy se zdají být vzájemnými protipóly. Názory na to, jak se jednotlivé druhy fotoreceptorů přesně na vzniku těchto tří signálů podílejí, se ale liší a existuje několik různých navrhovaných neuronových modelů.

Obr. 13 – Young-Helmholtzova teorii tří druhů receptorů na sítnici

Obr. 14 – Vznik červené barvy podle Heringa – dojde jen k podráždění červené části v červeno-zeleném dekodéru

Naprosto přesná reprodukce barev je v praxi nedosažitelná. Reprodukce barev může být pouze dostatečně či nedostatečně uspokojivá, což je samozřejmě hodnocení ryze subjektivní. Ačkoli si to zpravidla neuvědomujeme, tak barva ve skutečnosti není jednou z vlastností objektů kolem nás, ale je pouhým výplodem našeho mozku. To, jakou barvu vidíme, závisí nejen na objektu samotném, ale i na spoustě dalších faktorů - jakým světlem je nasvícený, co ho obklopuje, jaký je okamžitý stav adaptace našeho zraku, jaké jsou individuální charakteristiky našeho osobního zrakového aparátu, jestli objekt poznáváme a víme, jakou barvu má za denního světla, atd. Barvy na fotografii nebo na monitoru nejsou nikdy „přesně takové, jaké byly ve skutečnosti“. Při reprodukci barev totiž nejde zdaleka jen o nějaké prosté okopírování barvy, ale obvykle o vytvoření zcela jiného zrakového podnětu, který se nám jeví, jako že má (aspoň přibližně) tutéž barvu, a to často navíc za zcela odlišných pozorovacích podmínek (např. reálná scéna venku versus obraz na monitoru nebo fotografii prohlížené pod umělým světlem v místnosti), což situaci ještě dále komplikuje. Vzhledem k tomu, jak složitý proces barevné vidění je, modely které se při reprodukci barev v praxi používají, jsou pouze velice hrubá zjednodušení, zahrnují jen ty nejzákladnější rysy našeho zrakového systému, platí dostatečně přesně jen v jistém omezeném rozsahu pozorovacích podmínek a to ještě jen pro jakéhosi „ideálního“ diváka, od kterého se všichni více či méně lišíme. Tyto modely byly vytvořeny na základě empirických pozorování, provedených za jistých podmínek, zahrnujících měření skutečností, jako ryze subjektivní vjemy a dojmy, které nijak zvlášť exaktně měřit nelze. Není proto divu, že existuje více modelů (a potažmo i různých standardů), které se navzájem ne zcela shodují. Na druhou stranu jsme ale z reálného světa zvyklí na to, že tatáž věc má podle okolností pokaždé poněkud odlišnou barvu, jsme zvyklí tuto skutečnost úspěšně ignorovat a barvy si nepamatujeme nijak zvlášť přesně, takže ve většině případů i takovéto hrubé modely mohou poskytovat uspokojivé výsledky.

3.5. Zajímavosti z vnímání barev živočichy

Oči s čočkou se vyvinuly už dávno v pravěku u již dávno vyhynulých živočichů – u trilobitů. Trilobit měl oko čočkové, ale současně i mozaikové. Každé elementární oko obsahovalo čočku z krystalického vápence a celkový počet až 15 000 elementárních očí pokryl téměř polokruhovité zorné pole. Protože vápencová zorná čočka vzhledem ke svému indexu lomu 1,50 světlo ve vodním prostředí rozptylovala, k vytvoření obrazu byly v oku dvě čočky za sebou.

Většina hmyzu má mozaikové oči, a na rozdíl od trilobitů nejsou v očích hmyzu čočky. Každý element mozaikového oka je tvořen trubicí, jež přivádí světlo na tenké vlákno, které světlo absorbuje. Jednotlivé čočky se nazývají omatidie. Každá buňka je citlivá na světlo vycházející z určitého úzkého kužele a podněty ze všech omnatidií pak vytvářejí celkový zrakový vjem. Oči hmyzu jsou kupodivu citlivější než oči obratlovců. Schopnost vidět barevně má většina hmyzu, která opilovává pestré květy, výjimku tvoří motýli, kteří nevidí červenou barvu. Motýli sytou červeň vnímají jako černou, protože jejich hranice viditelného spektra je posunuta směrem ke krátkovlnnému pásmu. Například včela vnímá elektromagnetické záření o vlnové délce až 30 nm, to znamená že vidí mnohem „hlouběji“ do ultrafialové oblasti než člověk. Proto také včela vidí svět mnohem barevněji než my. Další pozoruhodnou vlastností včelího oka je jeho citlivost na polarizované světlo. Rozptýlené světlo oblohy je polarizované, což umožňuje včele snadno určit směr ke Slunci, aniž na něj vidí. Díky tomu jsou včely schopny se dokonale orientovat mimo úl.

Pokusně bylo barevné vidění prokázáno u některých ryb a zajímavé je, že pestře zbarvené jsou i ty ryby, které nemají oči nebo tráví svůj život ponořeny v bahně či v mořských hloubkách, kam až světlo nepronikne. Také hlodavci, žáby, ještěři a hadi pravděpodobně vidí svět barevně. Taktéž většina ptáků rozezná barvy velmi dobře, s výjimkou ptáků nočních. Barevně vidící živočichové jsou totiž v noci bezmocní, ale zato ti, kteří vnímají pouze v černobílé škále mohou rozeznat i nepatrné rozdíly ve světelné intenzitě a bezpečně se pohybovat i v hluboké tmě. Tyčinky umožňující oku černobílé vidění jsou totiž schopny reagovat na desettisíckrát menší množství světla než čípky, na které je vázáno vidění barevné.

O barevném vnímání savců toho zatím mnoho nevíme. Pes byl například dlouho považován za barvoslepého. Až teprve pomocí elektronového mikroskopu se zjistilo, že v psím oku je i určitý počet čípků. Některé psy lze skutečně vycvičit k rozlišování barevných tónů – jenže se neví, jestli jen nevnímají různé odstíny šedi. Kůň si plete černou a červenou, ale nikoliv šedou a růžovou, rozezná i žlutou, zelenou a modrou. Kráva ani býk barvy nerozlišují, a proto je zbytečné dráždit býka červenou látkou – stejného účinku by toreadoři dosáhli, i kdyby muleta byla černá. Býk totiž nereaguje na červenou barvu šátku, ale na jeho pohyb.

4. Fyzikální pohled na barvy světla

4.1. Vymezení barvy

Barva je mnohoznačný psychosenzorický, psychofyzikální i fyzikální pojem. Z psychosenzorického (vjemového) hlediska barva vyjadřuje vlastnost lidského zrakového vjemu, kterou se rozlišují dvě bezstrukturní části zorného pole stejného tvaru a velikosti. Je to tedy část zrakového vjemu, která zůstává, odmyslíme-li si z něho dojem prostorového rozložení, rozměrů a časové proměnlivosti toho, co okem vidíme. Zpravidla je určena spektrálním složením světelného podnětu – světla – vstupujícího do oka (výjimku tvoří tzv. metamerní barvy, které i při rozdílném spektrálním složení vzbuzují stejný vjem barvy) a může být slovně popisována odpovídajícími přídavnými jmény jako např. červená, oranžová, žlutá, zelená, modrá, fialová, purpurová, vystihujícími tóny barvy (zbarvení). Vnímaná barva (vlastní barevný vjem) také závisí na vlastnostech a stavu zrakového orgánu pozorovatele (včetně jeho jasové a barevné adaptace a únavy), na podmínkách pozorování (např. na jasu a jasovém a barevném kontrastu v zorném poli), ale i na aktuálním psychickém stavu pozorovatele a jeho psychologii. Z  fyzikálního (objektivního) hlediska je barva charakterizována spektrálním složením barevného podnětu, tj. spektrálním složením světla emitovaného světelným zdrojem, které prošlo tělesem nebo se odrazilo od jeho povrchu. Spektrální složení barevného světla, vystihující, z  jakých číselně charakterizovaných jednobarevných složek se toto světlo skládá, je bez ohledu na zrakový orgán objektivně zjistitelnou fyzikálně měřitelnou realitou. Z psychofyzikálního hlediska se přihlíží k vyhodnocování barevného podnětu barvocitlivými buňkami (analyzátory) lidského zrakového orgánu – oka. Odpovídající psychofyzikální pojmy vystihují schopnost barevných podnětů vzbuzovat barevný vjem, tyto vjemy se vyjadřují v určité číselné (souřadnicové) soustavě. Při psychofyzikálním přístupu se vyhodnocuje barevný podnět o určitém spektrálním složení podle citlivosti zrakového orgánu k barvám – jeho křivky spektrální citlivosti.

4.2. Barva světla a tělesa

Barva světla, tj. primárních světelných zářičů, je psychosenzorický pojem a jemu odpovídá psychofyzikální pojem barevnost (chromatičnost). Naproti tomu barvu tělesa (předmětu), tj. sekundárních světelných zářičů, vystihuje psychofyzikální pojem, zvaný kolorita. Pojem barvivo značí barevnou látku a pojem barevný podnět je barevné světlo vnikající do oka, které je vyjádřeno takovými znaky (např. spektrálním složením a relativním jasem), které vedou ke vzniku barevného vjemu. Barevnost je z fyzikálního hlediska určena spektrálním složením ze zdroje vysílaného světla. Naproti tomu fyzikální popis kolority je založen na barevnosti a relativní intenzitě světla povrchem tělesa odraženého nebo z povrchu tělesa vystupujícího. To znamená, že je reprezentována nejen spektrálním složením záření světelného zdroje osvětlujícího těleso (předmět), ale i spektrální odrazností nebo propustností tělesa, které mají obecně za následek změnu spektrálního složení světla i změnu jeho intenzity.

Obr. 15 – Barevné vlastnosti – pestrost, sytost, jas

Barvu světla a tělesa, také posuzujeme podle sytosti a pestrosti. Sytost barvy je vlastnost zrakového vjemu, jenž umožňuje posoudit účast čisté pestré barvy na celkovém vjemu, a navíc syté barvy neobsahují bílou složku. Jde například o spektrální barvy světla, tj. o barvy jednoduchých (jednobarevných) světel získaných například za pomocí rozkladu složeného (bílého) světla. Nesyté barvy obsahují i bílou složku. Sytost je psychosenzorický pojem a odpovídá psychofyzikálnímu pojmu čistota barvy. Pestrost barvy je vlastnost zrakového vjemu, jenž je vyvolaná pestrými a nepestrými barvami. Pestré barvy tvoří spektrální barvy a jejich aditivní směsi (např. červená, oranžová, žlutá, zelená, modrá, fialová a jejich vzájemné kombinace). Přitom aditivní směs barev označuje takové míchání barev, při němž výsledná barva má bohatší spektrální složení než dílčí barvy. Nepestré barvy těles (předmětů) jsou bílá, šedá a černá barva, kdežto jedinou nepestrou barvou světla je bílá barva (šedé a černé světlo neexistuje). Podkladem barevného vjemu toho, že část zorného pole vydává více nebo méně světla, je jasnost barvy – je to psychosenzorický pojem, který zhruba odpovídá fotometrické veličině zvané jas. Naproti tomu psychosenzorický pojem světlost barvy vystihuje vlastnost barevného vjemu, podle kterého usuzujeme, že těleso odráží nebo propouští větší nebo menší část na něj dopadajícího světla.

Určitou barvu předmětu můžeme v jejích odstínech rovnoměrně po stupních zesvětlovat, ztmavovat nebo pozměňovat v její sytosti. Podobně můžeme vytvářet rovnoměrně rozvržené řady postupně se měnících barev. Uvnitř takto rovnoměrně rozvržených stupnic je mezi jejich sousedními členy stejnoměrné napětí kontrastu.

stupňování sytosti při nezměněné pestrosti a světlosti
stejná světlost i sytost u různých barev
stupňování světlosti
stupňování sytosti a světlosti zároveň
stupňování sytosti a světlosti proti sobě

Obr. 16 – Stupňování barev

4.3. Monochromatické, kvazimonochromatické, polychromatické a bílé

světlo

Monochromatické světlo je ideální jednobarevné – monofrekvenční – světlo tvořené jen jednou jedinou frekvenční (spektrální, harmonickou) složkou (jeho spektrum má nulovou frekvenční šířku ) a není přesně realizovatelné. Realizovatelné je pouze kvazimonochromatické světlo (reálné jednobarevné, přibližně monochromatické, kvazimonofrekvenční světlo), a to například rozkladem bílého světla pomocí jeho lomu nebo difrakce (ohybu). Jeho spojité spektrum vykazuje výrazné maximum pro jednu dominantní (střední) frekvenci (nebo popřípadě dominantní vlnovou délku ), která má nenulovou frekvenční šířku , která je daleko menší než je dominantní frekvence ().

Polychromatické světlo je realizovatelné mnohobarevné (složené, polyfrekvenční) světlo obsahující mnoho frekvenčních (harmonických) složek a jeho spektrum má velkou frekvenční šířku. Příkladem je spektrum slunečního světla, jehož frekvenční šířka zabírá celou viditelnou (lidským okem vnímatelnou) oblast elektromagnetického vlnění od červené po fialovou barvu (); tzn., že . Druh bílého světla představuje sluneční denní světlo. Izoenergetické bílé světlo je světlo s izoenergetickým spektrem, v jehož spektru jsou zastoupeny všechny frekvenční složky rovnoměrně (jeho spektrální hustota výkonu je konstantní) v celém světelném rozsahu frekvencí a vlnových délek. V praxi není toto světlo přesně realizovatelné. Realizovatelné je jen kvaziizoenergetické světlo, a to je tzv. smluvním zdrojem bílého světla.

Smluvní bílé světlo se zavádí pro posouzení barvy různých těles a není přesně izoenergetické, ale je kvaziizoenergetické. Světlo má barvou odpovídat izoenergetickému bílému světlu a může být reprezentováno normalizovaným bílým světlem, jehož spektrální složení je stanoveno dohodou. Mezinárodně jsou normalizována smluvní bílá světla A, B, C (viz obr. 17), ale smluvní bílé světlo E je normalizováno pouze národními normami a smluvní bílé světlo I odpovídá ideálnímu (nerealizovatelnému) izoenergetickému bílému světlu (v některých publikacích bývá někdy označováno jako smluvní bílé světlo E). Fyzikální realizace je předepsána smluvním bílým světlům A, B, C, E, aby je bylo možné využívat pro přesné měření. Další dvě smluvní bílá světla D a I jsou definována pouze číselně a používá se jich pro početní zpracování spektrofotometrických měření nebo pro nejrůznější numerická sledování.

Smluvní bílé světlo A odpovídá umělému světlu žárovky anebo světlu do běla rozžhavené plynové lampy. Jeho tzv. ekvivalentní teplota barvy je asi 2 854 kelvinů (K). Smluvní bílá světla B, C, E jsou definována předepsanými přesnými spektrálními složeními, a jsou realizovatelná žárovkou, jejíž světlo má ekvivalentní teplotu barvy smluvního bílého světla A a prochází příslušným dvojdílným kapalinovým filtrem o předepsaném složení. Smluvní bílé světlo B přísluší střednímu dennímu světlu (přibližně slunečnímu světlu) s převažující složkou přímého slunečního záření a lze mu přiřadit ekvivalentní teplotu barvy zhruba 4 800 K. Smluvní bílé světlo C je přiřazeno střednímu dennímu světlu bez přímého slunečního záření, to odpovídá přibližně dennímu světlu (s ekvivalentní teplotou barvy asi 6 500 K). Smluvní bílé světlo E odpovídá barvou izoenergetickému spektru, ale zdroj tohoto světla je však nerealizovatelný (jde o druh kvaziizoenergetického světla o ekvivalentní teplotě barvy asi 5 600 K). Smluvní bílé světlo D odpovídá spektrálním složením průměrnému dennímu světlu a je možné je vypočítat pro libovolnou ekvivalentní teplotu barvy v rozmezí od 4 000 do 25 000 K. Příkladem je smluvní bílé světlo s ekvivalentní teplotou barvy 6 500 K, zvané někdy taktéž jako standardní bílé světlo. V případě potřeby se používá i jiné, avšak přesně definované smluvní bílé světlo (za standardní bílé světlo je někdy považováno i smluvní bílé světlo E).

Obr. 17 – Spektrální křivky smluvních bílých světel A, B, C, E

Obr. 18 – Spektrální křivky smluvních bílých světel D, a černého tělesa

Dokonalý kolorimetrický přístroj (spektrofotometr) dovede určit a číselně vyjádřit záření odražené od barevného povrchu a udá jeho vlnovou délku λ a světlost (relativní jas), což je relativní množství odraženého záření. Tyto dva údaje jsou postačující k přesnému určení barvy povrchu.

Některé přístroje vyjádří barvu graficky, a to zakreslením tzv. remisní křivky. Remisní křivka je grafické znázornění množství záření, které se odráží v jednotlivých úsecích spektra od barevného povrchu. Má-li tato křivka vrchol například v pásmu vlnové délky kolem 520 nm, jde o barvu zelenou, modrá je určena vrcholem křivky v pásmu pod 500nm atd. Výška vrcholu křivky udává procento odrazivosti v příslušném spektrálním pásmu, tedy relativní světlost barvy (relativní jas).

Dokonalý kolorimetrický přístroj (spektrofotometr) dovede určit a číselně vyjádřit záření odražené od barevného povrchu a udá jeho vlnovou délku λ a světlost (relativní jas), což je relativní množství odraženého záření. Tyto dva údaje jsou postačující k přesnému určení barvy povrchu.

Některé přístroje vyjádří barvu graficky, a to zakreslením tzv. remisní křivky. Remisní křivka je grafické znázornění množství záření, které se odráží v jednotlivých úsecích spektra od barevného povrchu. Má-li tato křivka vrchol například v pásmu vlnové délky kolem 520 nm, jde o barvu zelenou, modrá je určena vrcholem křivky v pásmu pod 500nm atd. Výška vrcholu křivky udává procento odrazivosti v příslušném spektrálním pásmu, tedy relativní světlost barvy (relativní jas).

Obr. 19 – Remisní křivky černého a bílého světla

Obr. 20 – Remisní křivky světel základních a doplňkových barev

4.4. Teplota barvy

Teplotou barvy vyjadřujeme barvu světla černého zářiče (černého tělesa), tj. tělesa, které veškeré dopadající elektromagnetické záření úplně pohlcuje a vykazuje též maximální výkon vyzařovaného tepelného záření, a sice jeho absolutní (kelvinovskou) teplotu. Přitom pojem tepelné záření označuje elektromagnetické záření, které je podmíněno pouze jen tepelným stavem těles, vyjádřeným jejich teplotou. Tepelné záření vykazuje spojité spektrum. Zmíněná teplota barvy se taktéž nazývá teplota barevnosti (chromatičnosti) černého zářiče. Jde-li o jiný tepelný zářič než černý (tj. zářič, který dopadající elektromagnetické záření pohlcuje jen částečně a případně i selektivně), pak se zavádí ekvivalentní teplota barvy, případně ekvivalentní teplota barevnosti (chromatičnosti), a ta je definována jako absolutní teplota černého zářiče, při které tvar spektrální křivky jako charakteristické energetické nebo fotometrické veličiny (např. jasu) je aspoň přibližně ve viditelném spektrálním oboru elektromagnetického vlnění stejný jako tvar této křivky pro světelné záření uvažovaného (srovnávaného) zářiče. V takovém případě mají obě záření stejnou barvu. Ekvivalentní teplota barvy vystihuje barvy světla tím přesněji, čím jsou blíže spektrální křivce černého zářiče (tzv. křivce barev černého tělesa) a nehodí se k popisu světel, jejichž barva se liší o barvy světla vyzařovaného černým zářičem. V případech, kdy se barva světla liší od barvy světla černého zářiče se používá pojmu náhradní teplota barvy, který vyznačuje omezenou platnost údaje.

4.5. Aditivní míšení barev

Míšení barev aditivním způsobem spočívá v tom, že k jednomu barevnému světlu se připojí další (jiná) barevná světla tak, že výsledné světlo má mnohem bohatší spektrální složení než dílčí světla. Je realizovatelné subjektivně (vizuálně) až na sítnici oka a v mozku člověka při současném (nebo rychle se střídajícím) působení dvou a více barevných světel na totéž místo sítnice nebo alespoň na velmi blízká místa sítnice, nebo objektivně přímým smísením barev před vstupem výsledného světla do oka pozorovatele. Subjektivní aditivní míšení můžeme demonstrovat tak, že otáčíme na odstředivém stroji kruhový kotouč s barevnými výsečemi nebo skvrnami. Spatříme kotouč ve výsledné barvě, která se vytvoří teprve v oku v určité oblasti jeho sítnice. Objektivní aditivní míšení lze realizovat například tak, že optickým hranolem rozložené složené (bílé) světlo opět spojíme pomocí vhodné optické soustavy v původní složené světlo, to lze udělat několika způsoby:

1. Za pomocí spojné čočky, která svazky paprsků různé vlnové délky opět soustředí do jediného svazku bílého světla.

2. Přiložením druhého, ale opačně nastaveného trojbokého hranolu, který proces rozkladu přemění v opačný proces skladu neboli míšení barevných světel.

Názorně je možné ukázat objektivní aditivní míšení barevných světel například za pomocí reflektorů s barevnými světly, získanými optickými barevnými filtry, které jsou umístěny na světelných reflektorech v cestě světelných paprsků. Vysílá-li například jeden reflektor červené světlo a druhý reflektor světlo modré, popřípadě fialové, pak původně bílá plocha se po osvětlení oběma reflektory jeví jako purpurová (modročervená).

Lidský zrakový orgán (lidský zrak) nemá schopnost rozlišovat jednotlivé barvy ve složeném světle (na rozdíl od lidského sluchového orgánu, který dokáže rozlišovat jednotlivé jednoduché tóny ve složeném tónu). Výsledné světlo má pro lidský zrakový orgán vždy jen jedinou výslednou barvy. Dvě světla s různým spektrálním složením mohou mít stejnou barvu, to znamená, že sice určitému spektrálnímu složení světla přísluší jednoznačně určitá barva, naopak však lze jednu určitou barvu získat mnoha kombinacemi světel.

4.6. Barevný trojúhelník RGB

Barvu obyčejně určujeme třemi veličinami: barevným tónem, sytostí a světelným tokem. Barevný tón určuje spektrální barvu, kterou musíme složit s bílou, abychom dostali požadovanou barvu. Vlnová délka, která této spektrální barvě přísluší, se nazývá převládající (dominantní) vlnová délka. Sytost barvy je definována poměrem světelného toku příslušejícím světlu daného barevného tónu k celkovému světelnému toku (tj. součtu světelného toku syté a bílé barvy). Světelný tok vyjadřuje schopnost světla vyvolat zrakový vjem, ale na světelném toku nezávisí barva světla. Závisí však na poměru světelných toků světla o různých frekvencích. Na přesné určení barvy proto stačí znát jen dominantní vlnovou délku a sytost.

Barvu světla můžeme znázornit bodem v barevné (kolorimetrické) rovině. Při znázorňování vycházíme ze tří barev, které si zvolíme za základní (základní body barevnosti). Podle mezinárodní normy jsou těmito barvami tři spektrální barvy: R = červená (red, purpurově červená) základní barva – = 700 nm, G = zelená (green, žlutozelená) základní barva – = 546,1 nm, B = modrá (blue, fialově modrá) základní barva – = 435,8 nm. V oblasti lidského vidění odpovídají barevným citlivostem čípků sítnice lidského oka při trojbarevném vidění.

Třem základním barvám přísluší na barevné rovině body R, G a B (obr.21). Na znázornění barev, které dostaneme aditivním skládáním dvou základních barev, použijeme pravidlo, podle kterého bod znázorňující složenou barvu, leží na spojnici bodů těch barev, jejichž složením barva vznikla. Všechny barvy, které můžeme získat složením dvou základních barev, leží na stranách trojúhelníka RGB, a to blíže k té základní barvě, které větší část obsahují. Například míšením červené barvy R a zelené barvy G dostaneme podle jejich zvoleného poměru barvu oranžovou (bod 1 na obr 21), žlutou (bod 2) a žlutozelenou (bod 3).

Obr. 21 – Barevný trojúhelník RGB

Bílé barvě (bílému světlu) lze přiřadit body barevnosti (tzv. bílé body) v blízkém okolí středu barevné roviny, tento střed může být například reprezentován smluvním (standardním) bílým světlem E, které zhruba odpovídá izoenergetickému bílému světlu. K vytvoření bílé barvy je obecně potřeba aditivně smísit všechna spektrální světla, tj. barevná světla vzniklá rozkladem bílého světla např. pomocí jeho lomu nebo ohybu. Bílou barvu lze však získat i aditivní směsí jen tří základních barev, nebo ekvivalentně aditivní směsí dvou doplňkových barevných světel. Přitom doplňková (komplementární) barevná světla tvoří dvě barvy světla, jejichž aditivní smísení ve vhodném poměru umožňuje dosáhnout stejného zrakového vjemu jako zvoleným bílým světlem. Doplňkové barvy světla tvoří základní sytá (spektrální) barva R, G nebo B a barva vzniklá aditivní směsí svou zbývajících základních barev, jde například o tyto dvojice barev světla: červená a azurová (modrozelená), zelená a purpurová (purpurová barva vznikne aditivním míšením červené a modré resp. fialové barvy), modrá a žlutá.

Aditivním míšením některé spektrální syté barvy s bílou barvou obdržíme nesytou barvu téhož barevného tónu (zabarvení). Barvy téhož tónu leží na spojnici bodu E s bodem barevnosti příslušné spektrální barvy a jejich kolorimetrická sytost (čistota barvy) je tím větší, čím je aditivně smíšená barva více vzdálená od bodu E. Příkladem je spojnice EG na obr.21, na které leží barvy se zeleným tónem (bod 6). Sytost každé spektrální barvy je 100 % a sytost barvy bílé je nulová.

Na spojnici bodu E s bodem 4 na obr.21 leží barvy s azurovým tónem (zbarvením), barva 4 však není sytá. Syté azurové barvě odpovídá určitý bod 7, který leží mimo plochu trojúhelníku RGB a všechny snahy smísit barvu 7 ze základních barev R, G, B jsou neúspěšné, neboť všechny možné aditivní směsi těchto tří barev leží uvnitř trojúhelníku RGB. Je však možné aditivně smísit ve vhodném poměru barvu 7 s bílou barvou E, abychom získali barvu 4. Symbolicky jde tento postup vyjádřit pomocí kolorimetrické rovnice, která je obecně algebraickým vyjádřením rovnosti dvou barevných trojpodnětů (přičemž barevný trojpodnět je obecně definován jako souhrn tří barevných podnětů), z nichž například jeden je výsledkem aditivního míšení. V tomto konkrétním případě má rovnice tvar

7 + E = 4 = B + G. (1)

Odtud pak plyne pro barvu 7 symbolický výraz

7 = B + G – E. (2)

Z rovnice (2) je vidět, že k vytvoření barvy 7 musíme symbolicky připojit jednu složku se zápornou hodnotou. To platí pro všechny barvy, jejichž body barevnosti leží mimo plochu trojúhelníku RGB.

4.7. Diagram barevnosti

Všechny skutečné (reálné) barvy leží uvnitř tzv. plochy nesytých barev, která je v barevné rovině ohraničena křivkou sytých barev diagramu barevnosti (obr.22). Bodům které leží mimo uvedenou plochu nesytých barev a jejího ohraničení, neodpovídá žádná skutečná barva.

Křivka sytých barev má tvar zakřiveného trojúhelníku, leží na ní základní spektrální barvy R, G, B a uvnitř je barevný trojúhelník RGB. Její přímkovou základnu tvoří přímka sytých nespektrálních barev (přímka čistých purpurů), obsahující purpurové barvy charakterizované vlnovými délkami jejich doplňkových barev (s formálně připojeným znaménkem mínus), a její horní část reprezentuje křivka sytých spektrálních barev – křivka spektrálních světel. Vzhledem k tomu, že všechny spektrální barvy o spektroskopických vlnových délkách = 700-780 nm prakticky způsobují stejný barevný vjem, bývá základní bod barevnosti R vztažen k tomuto celému vlnovému intervalu. Barvy světla, které vydává černé těleso (černý zářič) při daných absolutních teplotách, leží na křivce barev černého tělesa, v jeho blízkosti jsou body, které reprezentují smluvní bílá světla (na obr. 22 jsou znázorněny body příslušející smluvním bílým světlům A, B, C, E).

Obr. 22 – Diagram barevnosti

Každou barvu dovedeme vyjádřit pomocí tří základních barev, jestliže známe světelné toky základních barev . Světelný tok se však nepoužívá jako barevná souřadnice. Podle mezinárodní normy používáme na kvantitativní určení barvy barevné souřadnice X, Y, Z, které jsou zvolené tak, aby souřadnice všech barev byly kladné a aby bod odpovídající bílému světlu ležel uprostřed barevné roviny. Protože na určení barvy stačí znát poměr souřadnic, je výhodné používat raději relativní souřadnice, tzv. barevné (trichronometrické) koeficienty x, y, z, které jsou definované vztahy:

(3)

Ze vztahu (3) vyplývá, že x + y + z = 1. To znamená, že nezávislé relativní souřadnice jsou jen dvě. Barevná rovina se kreslí tak, aby barevné koeficienty x a y tvořily pravoúhlou síť (obr. 23). Protože X, Y, Z jsou vždy kladné, barevné koeficienty x, y, z mohou nabývat hodnot jen od 0 do 1. Základní barvy mají relativní souřadnice určené takto:

R (700,0 nm): x = 0,7347, y = 0,2653, z = 0,0000,

G (546,1 nm): x = 0,2738, y = 0,7171, z = 0,0088,

B (435,8 nm): x = 0,1660, y = 0,0089, z = 0,8246.

Obr.23 – Barevné koeficienty x, y

Na obr. 24 je barevný trojúhelník barevné roviny znázorněný v relativních souřadnicích x, y. Relativní souřadnice jiných barev než R,G a B určujeme na základě vztahů (3). Na určení X, Y, Z musíme však znát spektrální složení světla, tj. rozložení světelného toku podle vlnových délek a redukované barevné souřadnice . Redukované barevné souřadnice pro každou barvu se dají vypočítat ze standardních křivek (obr. 25), tj. z křivek na skládání spektrálních barev. Souřadnice vlastně udávají redukované světelné toky základních barev (tj. poměry světelných toků základních barev a celkového světelného toku) potřebné na získání dané spektrální barvy. Potom

(4)

Obr. 24 – Barevný diagram RGB

Obr. 25 – Standardní křivky

4.8. Subtraktivní míšení barev

Při subtraktivním míšení barev se ze spektra daného mnohobarevného (polychromatického) světla odebírají (odečítají) některé jeho spektrální složky (nezaměňovat se zápornými hodnotami barev při aditivním míšení), proto má výsledná barva chudší spektrální složení a jeví se tudíž obecně jiná, než jaká je původní barva světla. Subtraktivní míšení lze realizovat například za pomocí barevných optických filtrů zároveň zařazených za sebou před jediný zdroj mnohobarevného světla. Provedeme-li subtraktivní míšení například tak, že před reflektor vyzařující bílé světlo zařadíme modrý a žlutý filtr, dostaneme zelené světlo (obr. 26), kdežto při aditivním míšení modrého a žlutého světla dostaneme barvu bílou.

Obr. 26 – Subtraktivní skládání barev

Obdobně jako v případě aditivního míšení lze při subtraktivním míšení získat ze tří barev různé barevné tóny. Při něm jsou však základem tzv. normální barvy (barviva), tj. barvy, které jsou doplňkové k základním barvám R, G, B, konkrétně jde o barvy azurovou, purpurovou a žlutou. Subtraktivním míšením (složením) těchto tří normálních barev v různých poměrech (hustotách) dostaneme rozličné tóny různých barev. Při stejných hustotách příslušných subtraktivních optických filtrů vznikne šedá barva, a jsou-li filtry dostatečně syté, neprojde jimi vůbec žádné světlo a výsledkem je černá barva. Omezíme-li se na filtry stejné hustoty (sytosti), pak při subtraktivním míšení barev (barviv) obecně platí: azurová + žlutá = zelená, purpurová + žlutá = červená, azurová + purpurová = modrá, azurová + purpurová + žlutá = černá (šedá).

Zatímco při aditivním míšení barev tvoří doplňkové dvojice světel ta světla, která se navzájem doplňují na bílé světlo, při subtraktivním míšení jde o takové dvojice barev, jenž se doplňují na šedý nebo černý tón. U barev těles (barviv) tvoří doplňkovou dvojici taktéž barva bílá a černá (šedá). Lze říci, že každé barevné těleso (látka) pohlcuje světlo právě doplňkové barvy, že základní a normální barvy jsou navzájem doplňkové a že každá barva tělesa představuje opak (negativ) své doplňkové barvy.

Protikladné barvy jsou maximálně rozdílné, antagonické. Říkáme jim také barvy kontrastní nebo komplementární (oba tyto výrazy ovšem neznamenají zcela totéž). Za protikladné považujeme barvy, jenž se navzájem doplňují, a to buď fyzikálně jako barevná světla na světlo bílé nebo na tmu, anebo fyziologicky prostřednictvím negativního paobrazu nebo indukce. Tyto barvy bychom také mohli nazývat barvami navzájem negativní, ale tento termín není vžitý.

Subtraktivní míšení barev má velký význam například pro barvy těles (předmětů). Barviva se skládají z průsvitného pojidla, v němž jsou rozptýlena různobarevně zbarvená zrnka. Při dopadu složeného (bílého) světla na povrchový nátěr tělesa vzniká na zmíněných různobarevných zrnech difusní odraz světla. Protože při osvětlení tělesa světlo prochází mnoha zrnky, které působí jako barevné optické filtry, je odražené světlo zbarveno. Smícháme-li dvě barviva, například modré a žluté, působí jejich promíchaná zrnka jako za sebou zařazené barevné filtry a výsledná barva tělesa je tudíž zelená.

4.9. Využití aditivního a subtraktivního míšení barev

U barvotisku se subtraktivně mísí dvě barvy tak, že se tisknou přes sebe, světlo pak prochází vrstvami barviva, odráží se od bílého podkladu a opět prochází vrstvami barviva. Tímto způsobem vzniká dvojnásobná optická filtrace světla a tím se zvětšuje sytost výsledné barvy barvotisku. Barvotisk někdy též mísí barvy aditivně, a to tehdy, když se barevné tečky (případně plošky), tvořící barvotisk, umístí těsně vedle sebe. V takovém případě každá tečka (ploška) odráží světlo své barvy a tato světla se mísí aditivně ve výslednou barvu. Někdy se u barvotisků využívá i kombinace aditivního a subtraktivního míšení barev a to tak, že barevné elementy barvotisku jsou natištěny na bílém podkladu částečně vedle sebe a částečně na sobě.

Taktéž u barevné fotografie se projevuje subtraktivní míšení barev. Barevná fotografická emulze se totiž skládá ze tří různých barvocitlivých absorpčních vrstev, které jsou umístěny za sebou a každá vrstva má podobnou citlivost ke světlu jako tři světlocitlivé složky čípků sítnice lidského oka při akceptované teorii trojbarevného vidění. Horní vrstva je citlivá jen k modrému (fialově modrému) světlu, střední vrstva reaguje pouze na zelené (žlutozelené) světlo a spodní vrstva reaguje jen na světlo červené (purpurově červené). Po osvětlení negativní fotografické emulze bílým světlem a jejím fotochemickém zpracování (vyvolání) se zbarví každá zmíněná barvocitlivá vrstva v doplňkové barvě příslušné té barvě, na kterou je vrstva světlocitlivá, to znamená, že jednotlivé vrstvy shora dolů mají barvu žlutou, purpurovou a azurovou. Barevný negativ se tedy objeví v doplňkových barvách fotografovaného předmětu, kdežto barevný pozitiv (barevná inverze) má stejné barvy jako samotný předmět.

Subtraktivní míšení barev se projevuje i při osvětlování těles. Osvětlíme-li těleso světlem určité barvy, barva působí na jeho povrch jako optický filtr na odraz světla, jehož barva se subtraktivně mísí s barvou dopadajícího světla. Výsledná barva záleží proto jak na barvě tělesa, tak i na zbarvení dopadajícího světla.

4.10. Barva předmětů

O barevném vjemu rozhoduje vedle našeho oka a světla ještě sám předmět, který vnímáme, který zrakem vnímáme a který „má“ určitou barvu. Fyzikální a chemické složení předmětu nebo jeho povrchových vrstev způsobuje různou součinnost světelného záření s předmětem, která pak určuje kvalitu podráždění sítnice a vyvolává v mozku určitý barevný vjem. Předměty se mohou chovat ke světlu různě:

1. předměty mohou všechno světlo (nebo jen jeho část) propouštět, pak se nám jeví bezbarvé nebo barevně průsvitné;

2. všechno světelné záření nebo jeho část předměty pohlcují – mění světelnou energii na energii tepelnou – takové předměty se nám jeví černé nebo barevné neprůhledné a tmavé;

3. předmět může všechno dopadající světlo (nebo jen jeho část) odrazit zpět, pak se nám jeví jako bílý, šedý nebo světle zbarvený.

Ve skutečnosti je to mnohem složitější, většina předmětů světlo částečně pohlcuje a částečně odráží nebo částečně propouští. Kromě toho odraz světla od předmětu může mít různý charakter – odražená část světla může být buď soustředěná (reflex), nebo rozptýlená (remise) - podle povahy povrchu předmětu. Často se světlo neodráží jen od povrchu, ale i od podpovrchových vrstev i toto značně ovlivní vjem barvy předmětu.

Obr. 27 – Předměty osvětleny různými světly

(Dejme si konkrétní příklad. Kdy se nám jeví červený předmět jako červený?)

Červený předmět budeme vidět červeně tehdy, když odrazí do naších očí tu složku světelného záření, která v oku vyvolá podráždění, jehož výsledkem je v mozku barevný červený vjem. Objektivním podnětem subjektivního vjemu červené jsou tedy světelné vlny v rozmezí vlnových délek od 600 do 700 nm. Čím užší je rozpětí vlnové délky, tím je předmět sytěji červený. Bude-li předmět kromě světelného záření největších vlnových délek částečně odrážet i všechny ostatní vlnové délky, tak se bude jevit červený. Bude-li vedle nejdelších vln odrážet i vlnové délky pro vjem barvy komplementární (kolem 500 nm), pak bude jeho červeň zakalená, lomená, šedá.

Představte si láhev purpurově červené limonády se zeleným uzávěrem, na kterou dopadá bílé sluneční světlo. V místě, kde vidíme čiré sklo, všechny světelné paprsky láhví procházejí. Od uzávěru se odrazí paprsky vlnových délek kolem 520 nm, kdežto ostatní paprsky jsou pohlceny. Tekutinou v limonádě záření částečně prochází – jeví se jako průsvitná. Zelené složky se převážně pohlcují, oproti tomu modré a červené složky se ve většině odrážejí a v oku se aditivně mísí, takže výsledný vjem je purpurová barva limonády.

Můžeme však také říci, že se nám předmět jeví v barvě komplementární k těmto složkám světelného záření, které pohlcuje. Jestliže tedy pohlcuje vlnové délky záření, které produkují vlny barvy zelené, bude se nám jevit purpurový, protože purpurová barva vznikne odečtením zelené od bílého světla.

Předmět může též pohltit všechny složky vlnových délek světla, ale jen určitou procentuální část (například 50 %). Jak se nám potom bude jevit? Bude šedivý, jelikož malé množství odraženého světla nestačí vyvolat vjem bílé barvy, nýbrž jen barvy šedé.

Několik přibližných případů různé odrazivosti neboli relativního jasu (světlosti) některých povrchů. Jsou dány v procentech ve vztahu ke 100% odrazivosti absolutně bílé plochy:

povrch materiálu	relativní jas
bílý papír	84%
hliníková fólie	83%
běloba	80%
žlutý nátěr	70%
světlý okr	60%
žlutozelená světla	60%
překližka	38%
světlý dub	33%
červená rumělka	20%
tmavý dub	18%
mokrý asfalt (suchý je světlejší)	5%
fialový nátěr	5%
černý samet	2%

Tab. 1 – Relativní jas některých povrchů

5. Další pohled na barvy světla

5.1. Vytváření barev malířem

Barva, kterou naše smysly vnímají, je něco docela jiného než barva, kterou se zabývá fyzika.

Ve skutečnosti Newtonův pokus odporuje našim každodenním zkušenostem s barvami. Každý malíř se neobejde bez tří základních barev – modré, žluté a červené, protože z těchto tří barev dokáže namíchat všechny ostatní odstíny. Ale pro fyzika jsou základní barvy červená, zelená a modrá, přesněji řečeno modrofialová. Proč ale zelená, a ne žlutá? Vždyť žádnou kombinací červené, zelené a modré malířské barvy žlutou nedostaneme, ať bychom se snažili sebevíce. Ale fyzik si žlutou barvu vyrobí snadno, stačí mu, když si promítne na bílý papír na totéž místo červený a zelený paprsek.

Proč vzniká kombinací červeného a zeleného světla světlo žluté? Vysvětlení musíme hledat ve vlnových délkách různých barev, z nichž se světlo skládá, a ve způsobu, jímž na něj lidské oko reaguje. V celém spektru elektromagnetického záření zabírá viditelné světlo jen velmi malý úsek. Zelené světlo má relativně malou vlnovou délku, přibližně 500 nanometrů, červené světlo zhruba 700 nanometrů. Oko „doručí“ mozku obě tyto vlnové délky a výsledným vjemem je pak barva žlutá, která má vlnovou délku střední hodnoty, tj. asi 600 nanometrů.

Ale pokud provedeme totéž s malířskými barvami: smícháme-li červenou a zelenou, nevznikne jasná žluť, ale vždy jen ošklivá šedohnědá.

Záhada? Goethe tomu říkal „tajemný fenomén“ a jako skutečný umělec soudil, že trochu toho tajemna jeho teoriím nejen neuškodí, ale dokonce prospěje. Roku 1831 napsal: „Víme obecně velmi dobře, že zelená barva vzniká smíšením žluté a modré. Nežli však bude moci někdo říci, že chápe zelenou v duze nebo zeleň listí či zeleň mořské vody, vyžádá si to všestranné prozkoumání říše barev a takovou úroveň poznání, jež z toho vyplyne, že k ní doposud sotva kdo dospěl.“

Oč jsme dnes chytřejší? Stačí když si na pomoc vezmeme matematiku. A to ty nejzákladnější početní úkony, sčítání a odčítání – čili adici a subtrakci.

Všechny barvy světla – spektrální barvy – můžeme vytvořit aditivním míšením, jestliže sečteme dvě ze tří základních barev složek bílého paprsku. Můžeme zvolit libovolnou kombinaci, podmínkou pouze je, aby každá barva ležela v jiné třetině barevného světelného spektra. Barvám, které se doplňují na světlo bílé, jsou barvy doplňkové neboli komplementární.

Obr. 28 – Komplementární barvy v barevném kruhu

Protikladné barvy jsou maximálně rozdílné, antagonické. Říkáme jim také barvy kontrastní nebo komplementární (oba tyto výrazy ovšem neznamenají zcela totéž). Za protikladné považujeme barvy, jenž se navzájem doplňují, a to buď fyzikálně jako barevná světla na světlo bílé nebo na tmu, anebo fyziologicky prostřednictvím negativního paobrazu nebo indukce. Tyto barvy bychom také mohli nazývat barvami navzájem negativní, ale tento termín není vžitý.

Proč ale všechno vypadá úplně jinak, jestliže chceme tytéž barvy smíchat na paletě?

Malířská „barva“ ve skutečnosti barvou není: obsahuje pouze pigment, látku, jejíž molekuly mají schopnost pohlcovat a odrážet světlo o určité vlnové délce. Čím více viditelného světla povrch tělesa pohlcuje, tím tmavší se předmět zdá. Molekuly s takovými vlastnostmi se vyskytují nejen v pigmentech, ale i ve všech ostatních barevných látkách. Například molekuly v kůře citrónu odrážejí jen skoro samé žluté paprsky a pohlcují všechny ostatní paprsky barevného spektra. Proto citrón vidíme žlutý. Předměty, které odrážejí skoro všechny barevné paprsky, například sníh, se nám zdají být bílé. A naopak látky, které paprsky všech barev pohlcují, jako saze nebo asfalt, se nám zdají být černé.

Pigmenty tedy získávají „svoji“ barvu (užívat slova barva ve spojitosti s pigmentem je omyl, který se používá, jelikož čeština jiný výraz nezavedla) tím, že odrážejí, propouštějí, nebo pohlcují různé složky viditelného spektra – jinak řečeno, odčítají je. Toto míšení barev se proto nazývá subtraktivní (subtractio latinsky znamená odčítání).

Subtraktivní systém míšení barev je také důvodem, proč míšením tří základních malířských barev nikdy nezískáme barvu bílou, jako je tomu při aditivním míšení paprsků světla.

Obr. 29 – Aditivní a subtraktivní míšení barev

Obr. 30 – Primární a sekundární barvy pigmentové a světelné

5.2. Původ zbarvení rostlin a živočichů

Umění subtrakce ovládá každá molekula pigmentu – například molekuly rostlinného barviva chlorofylu, jsou uspořádány tak, že pohlcují většinu fialové a modré části spektra, a také dlouhé vlny na červeném konci spektra. Ostatek, to znamená malou část červené a zelenou, molekuly chlorofylu odrážejí: proto se nám zdá listí zelené. A toto je řešení Goethovy záhady „tajemného fenoménu“.

Rostliny jsou zelené díky zelenému barvivu chlorofylu, které podmiňuje nesmírně důležitý proces fotosyntézy. V listech není však pouze chlorofyl, ale jsou tu přítomna i další barviva: xantofyly, karotenoidy, biliproteiny. Krása listů, která vzniká na podzim, je způsobena ustáváním vegetačního cyklu a úbytkem chlorofylu. Nekonečné barevné odstíny květů jsou způsobeny barvivy – karotenoidy, flavonoidy, anthokyany a celou řadou dalších barviv.

Živočichové vděčí za své mnohobarevné zbarvení nejčastěji různým pigmentům obsaženým ve zvláštních buňkách tzv. chromatoforech. Nejběžnější melanin způsobuje šedé nebo hnědé, řidčeji červenavé nebo žlutavé zbarvení. Lipochromy vyvolávají oranžové, žluté a někdy i červené barvy. Barva modrá je u živočichů poměrně vzácná, zelená je nejčastější u obyvatel lesů a tropických pralesů.

Vedle buněk, které obsahují tyto pigmenty, jsou v těle mnohých živočichů, hlavně ryb, obojživelníků a některých plazů, buňky zvané leukofory nebo iridocyty, vyplněné krystalky zvláštní látky, guaninu, která dává těmto živočichům stříbrný lesk. Nemusí být jen v kůži – kočky a všechna ostatní zvířata, která v noci svítí očima, mají vrstvu guaninu, tzv. tapetum lucidum, v oční sítnici. Funguje jako odrazové sklíčko a díky němu může zvíře vidět i ve tmě, která se člověku zdá úplně neproniknutelná.

Všechna zvířata však nehýří barvami. Ta, která obývají věčně zasněžené kraje severu, bývají zpravidla bílá, a také živočichové žijící ve tmě, často postrádají pigment. Slepý macarát jeskynní je úplně bezbarvý, ale jestliže mládě macaráta chováme na světle, tak ztmavne. Vytvoří se pigment, a toto vzniklé tmavší zbarvení zvíře ochrání před silnějším slunečním zářením, hlavně před nebezpečnými ultrafialovými paprsky – macarát se vlastně opálí.

Kromě živočichů, kteří neprodukují pigment, protože ho nepotřebují, existují však i jedinci postižení jeho chorobným nedostatkem – hypochromií. Krajním případem hypochromie je albinismus – úplné bílé zbarvení způsobené chybějícím pigmentem.

Další poruchou pigmentace je schizochroismus – nepřítomnost některých barviv. Zlaté rybky jsou postiženy jedním z druhů schizochroismu – xanthorismem: chybí jim všechny druhy pigmentu s výjimkou žlutého. Vzácné modré lišky trpí poruchou zvanou chlorismus.

Opakem albinismu je melanismus, což je nadbytek tmavých pigmentů. Jedinci postižení melanismem jsou zbarvení tmavohnědě nebo docela černě. Melanismus není tak nápadný jako albinismus. Melanistických živočichů v posledních sto padesáti letech velmi přibylo, takže tato zvláštnost přestala být zvláštností. Nejedná se o úchylku, ale o pozoruhodný jev přizpůsobení se živočichů změněným podmínkám životního prostředí – o tzv. průmyslový melanismus.

Zkusme na pigmenty posvítit barevným světlem.

List papíru, který se nám v bílém světle zdá být bílý, bude v červeném osvětlení červený, v zeleném zelený, v modrém modrý. Nyní se podívejme na modrý list papíru. V červeném světle není modrý, ani červený, ale je černý. Co se s ním stalo?

Modrý povrch odráží modré paprsky a téměř všechny ostatní barevné paprsky pohlcuje – tedy i paprsky červené. A proto se nám v červeném světle zdá modrá barva černá.

Barva je tedy vždy něco relativního. Nezávisí jen na schopnosti hmoty odrážet, pohlcovat nebo propouštět určitý druh paprsků, ale také na světle samotném, na jeho spektrálním složení.

5.3. Světelné efekty

Každé světlo nemá takové složení jako světlo sluneční – zvláště umělé osvětlení pozměňuje barvy. Ve světle žárovek je těžké rozeznat modrou nebo fialovou barvu od černé. Světlo žárovek je totiž žluté, ale ne čistě žluté: není složené ze světelných vln jedné vlnové délky, ale je světelnou směsí podobně jako bílé světlo sluneční. Je v něm však víc tónů červenožlutých a méně modrofialových – proto je modrá a fialová barva ve světle žárovek špatně vidět. Světlo zářivek obsahuje málo červené – proto dává pleti nezdravý, namodralý tón.

Ať má světlo jakoukoliv barvu, tak pigmenty je pouze odrážejí, pohlcují nebo propouštějí. Beze světla není žádné barvy. Zato barvy můžeme pozorovat i tam, kde vůbec žádné pigmenty nejsou – barva může vznikat totiž i na principu čistě fyzikálním. Všech sedm barev duhy vzniká lomem a odrazem světla v dešťových kapkách. Stejně tak vznikají i kola, která můžeme za studených a mlhavých nocí pozorovat kolem Slunce a Měsíce. Cirusová oblaka se skládají z droboučkých ledových krystalků - světlo se na nich rozkládá a ozdobí Slunce duhovým kruhem – tento kruh se také nazývá studánka. Nejrůznější barevné jevy v atmosféře vznikají rozptylem světla při průchodu tzv. kalným prostředím. Výsledkem rozptylu je například červené zbarvení Slunce při jeho východu a západu. Ráno a večer totiž dopadají paprsky k Zemi pod ostřejším úhlem než v poledne, a to znamená, že jejich cesta zaprášeným a vlhkým vzduchem je delší. Silná vrstva atmosféry hlavně propouští paprsky červené, oranžové a žluté části spektra, modré světlo se stále více ztrácí rozptylem. Čím je Slunce níže, tím jsou barevné změny výraznější. Nejprve se nám zdá Slunce žluté, potom tmavooranžové a nakonec září tmavorudě.

Rozptyl molekul vzduchu způsobuje modrou barvu oblohy – v atmosféře vznikají v důsledku neuspořádaného pohybu molekul neustále místa zhuštění a zředění, a ta rozptylují především modré paprsky slunečního světla.

Neobvyklé barvy na obloze mohou vyvolat také mohutné vulkanické erupce, při nichž se dostává do atmosféry velké množství jemně rozptýleného popela. V roce 1883, po velkém výbuchu indonéské sopky Krakatau, vycházelo a zacházelo nad Jávou krvavé Slunce ještě celé měsíce. Také záhadný tunguzský meteorit, který v roce 1908 dopadl na území sibiřské tajgy, způsobil neobvykle jasné východy Slunce, podivnou záři na nebi a hromadný výskyt zvláštních stříbřitých oblaků, které bylo možné pozorovat na rozsáhlém území od Jeniseje až ke břehům Atlantského oceánu. Na konci září roku 1950 zapadalo na mnoha místech Evropy indigově modré Slunce, příčinou tohoto neobvyklého jevu byl obrovský lesní požár v Kanadě. Do atmosféry se dostalo velké množství olejových částeček z hořícího dřeva, které způsobily rozptyl slunečních paprsků.

Na fyzikálním principu nevznikají jen barevné jevy v atmosféře . Moře získává svoji barvu částečně díky odrazu oblohy – proto je za zamračených dní olověné. Hlavní podíl na zabarvení mají pravděpodobně molekuly vody a různé mikroskopické částečky obsažené ve vodě, na nichž se světlo rozptyluje. U břehu se moře často zdá být bledě zeleně zabarvené – způsobují to jemná zrnéčka písku, na nichž se rozptylují delší světelné vlny. Ve vodě, kde jsou chaluhy, se modř oblohy spojuje s rudohnědým odrazem od mořských řas. „Ženeš nás na moře, zbarvené jakoby krví“, napsal kdysi v Odysseji řecký básním Homér. Literární historikové se dlouho přeli, co má krvavé moře znamenat – až jim tuto záhadu vysvětlila fyzika.

V tenkých vrstvách kapalin, plynů, ale i pevných látek se setkáváme se zvláštními barevnými efekty vyvolanými interferencí – křížením světelných vln. Takto vzniká duhová hra barev na mýdlové bublině nebo třeba na olejové skvrně na silnici.

Také v živé přírodě můžeme pozorovat mnoho zvláštních jevů. V zářícím peří kolibříků nenajdeme žádný pigment, měňavá krása motýlích křídel stejně jako kovový lesk krovek mnoha různých brouků jsou většinou fyzikálního původu – vznikají lomem a interferencí světelných paprsků.

6. Psychologie a barvy

6.1. Člověk a barvy

Od nejstarších dob je barva těsně spjata s člověkem. Od prvních okamžiků od narození je člověk schopen vnímat barvy. Proto je náš vztah k nim silný a vyhraněný.

Již řecký lékař Hippokratés (asi 460 – 370 před Kristem) dával barvy do souvislosti s lidskou povahou. Vypracoval podle nich teorii čtyř základních typů temperamentu (temperament znamená řecky něco jako „správné míšení“). Hippokratés měl na mysli míšení čtyř hlavních šťáv v lidském těle, temperamentem rozuměl povahu člověka a učil, že závisí na poměru krve – sanguis, černé žluči – melancholé, žluči – cholé a hlenu – flegma. Podle tohoto rozdělení stanovil základní lidské typy:

sangvinik – červená barva flegmatik – zelená barva

cholerik – žlutá barva melancholik – modrá barva

6.2. Psychologie barev

V psychologii barev lze vysledovat tři základní výzkumné proudy. První proud zkoumá prožitkovou kvalitu barev, tedy vztah barev vůči pocitům a ladění. Druhý proud se zabývá psychofyziologickou stránkou barevného vnímání a poslední třetí proud zkoumá symbolickou hodnotu barev, tedy jak je specifický význam barvy určen konvencí. Aplikace poznatků z tohoto oboru je dále rozvíjena v diagnostice osobnosti, kromě toho také v designu ( v psychologie prodeje, v architektuře atp.).

V psychologii barvy se používají tři základní pojmy. Jsou to tři důležité vlastnosti barev: barevný tón (také odstín), světlost a sytost.

Barevný tón je specifická vlastnost, kterou se jedna barva, například červená, odlišuje od druhé, modré, zelené atd. při stejné sytosti a světlosti. Tón barvy závisí na vlnové délce světelné vlny, která působí na oko. Světlost charakterizuje stupeň odlišení dané barvy od černé. Nejmenší světlost má barva černá, největší bílá. Od světlosti předmětů je nutné odlišovat jejich jasnost (jas), která závisí na energii světelného vlnění – na amplitudě jeho vln. Světlost je barevná vlastnost každého povrchu (plochy), jasnost je určena množstvím energie, odraženým danou plochou. Sytost je stupeň odlišnosti určité barvy od šedé barvy stejné světlosti s ní, tedy sytost označuje stupeň barevné výraznosti.

Za zakladatele zkoumání barev z psychologického hlediska je považován Johann Wolfgang Goethe. V době, kdy byla nauka o barvách redukována na fyzikální a navazující fyziologické způsoby uvažování, vyzdvihl a popsal významný psychologický aspekt prožitku barvy – její smyslově-morální působení. Goethe vyšel ze starořeckých představ o barvách a tyto představy také determinovaly způsob jeho myšlení. I přes mnohé omyly přispěl k rozšíření poznatků o psychologickém a fyzikálním působení barev. Popsal také následný barevný obraz, stanovil pravidla harmonie barev a rozdělil barvy podle působení na barvy strany pozitivní a negativní. Na pozitivní straně světla jsou umístěny barvy bílá, žlutá, červeno-žlutá a žluto-červená. Negativní strana zahrnuje barvu černou, modrou, černo-modrou a modro-černou., přičemž směrem od bílé a černé nabývají barvy na intenzitě působení a sbíhají se v barvě červené. Červená barva stojí na vrcholu pomyslného trojúhelníku, v jehož základně se nachází achromatické barvy a na ramenech pak barvy pozitivní a negativní. Zelená a šedá stojí uprostřed a vyvažují harmonicky působení obou stran. Z fyzikálního hlediska je mnoho jeho teorií zastaralých, je však třeba vzít v úvahu, že Goethe hledal podstatu aktuálního zážitku právě v přírodě.

Až koncem 19. století byla publikována další díla, která se zabývala působením barev na ladění a pocity subjektu. Zjistilo se, že existuje obecná preference pro maximálně nasycené barvy, ale že určité osoby přesto preferují barvy málo syté, tedy že barevné preference ovlivňuje určitý typologický faktor.

Od padesátých let 20. století převažuje výzkum, který vypracoval systém testů opírající se o empiricky podložené teoretické soustavy v psychologii barev.

6.3. Typologie a testy v psychologii barev

Barvy působí na lidské city – proto také na ně reagují mnohem silněji lidé, jenž jsou „citově založení“. Psychologie má pro tyto lidi přesnější pojmenování. Německý psychiatr Ernst Kretschmer (1884 – 1964), jenž se zabýval typologií, rozdělil lidi na dva druhy: na cyklotýmy a achizotýmy. Cyklotýmové jsou lidé otevření, jenž snadno podléhají citům, pocitům a náladám svým i svého okolí. Vůči barvám jsou mnohem vnímavější než schizotýmové – to jsou suší systematici, které barvitost světa drásá a kteří své city neustále kontrolují. Na rozdíl od cyklotýmů vnímají z okolního světa především tvary a ne barvy. Pokud si mají vybrat mezi barvami, volí obvykle odstíny chladné – hlavně modrou a zelenou. Oproti tomu cylkotýmové mají nejraději žlutou a červenou.

Švýcarský psychiatr Carl Gustav Jung (1875 – 1961), tvůrce jiného typologického systému zjistil, že lidé, jenž se projevují jako extroverti (je pro ně charakteristické zaměření na vnější svět), dávají přednost teplým barvám, žluté a červené, kdežto introverti (lidé uzavření do svého nitra), mívají v oblibě zelenou a modrou. K podobným záměrům došli i další psychologové.

Naproti tomu anglický badatel Bullough na základě výzkumu vnímání barev a barevných skupin rozeznává u lidí čtyři typy – co se vnímání barev týče. První typ posuzuje barvu přísně objektivně jako vlastnost předmětů a není ochoten přiznat jí nějaké asociativní nebo synestetické významy. Druhý typ vnímá barvu naopak především jako nositelku asociací. Třetí typ lidí je vnímavý na fyziologické účinky barev a poslední čtvrtý typ převážně vnímá krásu a estetické kvality barev.

Fyziologické působení barev lze velice dobře prokázat, protože tělesné reakce umíme měřit. Ale co lidské pocity? Ty měřit neumíme, přitom vztah k barvám je tolik důležitý – mohl by o člověku hodně prozradit. Psychologové se proto začali zajímat o to, jak by jim mohl vztah k barvám prakticky pomoci v psychodiagnostice a psychoterapii, tedy v určování a léčení duševních poruch.

Švýcarský psychiatr Hermann Rorschach (1884 – 1922) využil hlubokých souvislostí mezi barvami a lidskými city v psychologickém testu, který je dnes asi nejrozšířenější a nejpopulárnější psychodiagnostickou metodou na světě. Je originální, a přitom velice jednoduchý. Skládá se z deseti skvrn vzniklých kápnutím černého nebo barevného inkoustu na bílý papír. Přeložením papíru vznikne symetrický útvar, který může leccos připomínat – motýla nebo květ, tvář…naší představivosti se meze nekladou V jeho testu se nabízí možnost odhalit celou osobnost. Čím více se zkoumaná osoba dává při výkladu skvrn vést barvami, tím více se ve svém prožívání, a často i v jednání, řídí pocity a city. Někomu skvrna na obrazci připomene oheň, protože je červená, jiný v ní bude vidět člověka vyplazující jazyk a další třeba netopýra, ačkoliv barva tomuto vůbec neodpovídá. Extroverti vycházejí ve svých odpovědích především z  barev, introverti se více soustřeďují na tvar skvrn a dávají hodně tzv. odpovědí pohybových: velice často ve skvrnách vidí postavy jenž se pohybují.

Rorschachův test tedy hodnotí lidi podle jejich celkovému vztahu k barvám. Ale všichni lidé, a to jak extroverti tak introverti, mají navíc různý vztah k jednotlivým barvám. Každý z nás má nějaké „svoje oblíbené“ barvy, ale i jiné, které jsou nám úplně lhostejné, nebo takové, které nemá rád – vzbuzují v člověku odpor. Na základě této skutečnosti vypracoval jiný švýcarský psycholog Max Lüscher (nar. 1923) další populární test, který pracuje výhradně s barvami. Použil karty ve čtyřech základních odstínech – tmavomodrou, temnou zeleň s nádechem do modra, červenooranžovou a světle žlutou – a doplnil je ještě barvami pomocnými: fialovou, hnědou, černou a šedou. Čtyři základní barvy představují podle Lüschera čtyři základní lidské potřeby: modrá – klid a spokojenost, zelená – sebeuplatnění, červená – činnost, žlutá – naději. Významy těchto barev jsou neměnné. Rozhodující je „osobní poměr k barvě“, a ten má každý jiný. Někdo může určitou barvu shledávat příjemnou, jinému se zdá nudná, a pro jiného je to barva nepříjemná.

Testovaná osoba řadí barvy vedle sebe od nejsympatičtější k méně sympatické. Přitom nezáleží jen na pořadí jednotlivých barev, ale především na jejich vzájemném vztahu, na barevných kombinacích v řadě osmi barev, podle toho jak je testovaná osoba poskládala. Možných kombinací je několik set, tudíž vyhodnocení testu je složité. A stejně nelze vždycky bezpečně zjistit, zda získaný obraz osobnosti je opravdovým „rentgenem“ zkoumané osobnosti. Může totiž být hodně poplatný momentálnímu stavu a náladě vyšetřované osobnosti. Proto se v klinické praxi používá tzv. „velký Lüscher“, jenž je složen ze sedmi barevných tabulek, na nichž je třiasedmdesát barevných polí sestavených z pětadvaceti barev. Mezi těmito barvami musí zkoumaný provést čtyřiačtyřicet voleb.

V psychologii se používají i mnohé barvové testy. Například pyramidový test – ve kterém zkoumané osoby seřazují barvy od nejoblíbenějších po nejméně oblíbené. Nejčastěji volí lidé jako nejoblíbenější tyto barvy:

barva	muži	ženy
modrá	18,50%	22%
červená	19,20%	15,60%
zelená	17,80%	14,80%
žlutá	12,20%	13,20%
oranžová	11,10%	8,70%
fialová	6,10%	8,50%
hnědá	6,30%	7,70%
černá	6,10%	5,80%
bílá	2%	2%
šedá	0,70%	1,70%

Tab. 2 – Nejčastěji volené barvy v pyramidovém testu

6.4. Význam barev v barvovém testu

Co dokázaly barvové testy? Ačkoliv každý člověk má svoji stupnici barev jinou a jedinečný barevný klíč k svojí osobnosti, obecné významy barev jsou stálé, jsou totiž založeny na jejich fyziologických i psychologických účincích a na vlastnostech, které jim lidstvo připsalo na základě tisíciletých zkušeností.

Psychologové tak zjistili, že: modrá je barvou klidu , uspokojení a souladu. Mají ji rádi lidé citliví, s bohatým vnitřním životem, hledající lásku a oddanost. Tato barva symbolizuje něhu, věrnost, důvěru, tradici a oddanost. Dávají ji přednost lidé, kteří touží po klidu – unavení, přepracovaní a ti lidé, kteří nemají rádi změny. Když někdo modrou barvu odmítá, tak má strach se ponořit do hlubin svého vlastního nitra, nebo není spokojen se svými současnými vztahy. S odmítáním modré se často setkáváme u mladých lidí, kteří touží se osamostatnit.

Ten, kdo dává přednost zelené barvě, si za všech okolností stojí za svým, nezalekne se žádných překážek. Má sklon pečovat o druhé, ale také je rád ovládá a kontroluje. Touží po obdivu a uznání. V Lüscherově testu zelenou, vlastně modrozelenou, volí lidé stateční, houževnatí, ale také umínění a málo přizpůsobiví. Tuto barvu odmítají lidé originální, předpojatí, není oblíbenou barvou lidí zklamaných a vnitřně nejistých. Příčinou odmítání zelené může být i tělesná slabost – nesympatická je často pro lidi trpící srdečními chorobami.

Barva červená je výrazem životní síly, aktivity, potěšení z činnosti a dobrého kontaktu s okolím. Značí touhu po silných a hlubokých zážitcích, po úspěchu. Přednost této barvě dávají lidé cílevědomí, energetičtí, tvořiví, schopní usilovné práce a soustředěného vypětí, ale také lidé impulsivní a násilníci. Odmítání červené může být příznakem nedostatku sil, ochablosti, pasivity, únavy a vyčerpání. Lidem, kteří odmítají červenou se zdá, že nemohou dosáhnout na cíle , které si dříve stanovili, a že se jim to ani nikdy nemůže podařit.

Fialová značí především nezralost – duševní i citovou. Kdo má v oblibě fialovou, ten chce být především okouzlen a touží také okouzlovat druhé. Je to barva sentimentálních snílků a romantiků, kteří příliš nezapadají do běžného praktického života. Jsou to lidé těkaví a nerozhodní. Fialovou ale také často volí kompromisníci, „diplomaté“, lidé zdrženliví, tajnůstkářští a uzavření. Tuto barvu odmítají ti, jenž touží po jistotách, po vztazích nekomplikovaných, a také ti, kdo dobře kontrolují své city. Fyziologicky souvisí obliba fialové s hormonálním stavem. Je nejoblíbenější pro děti v pubertě, těhotné ženy a nemocné s poruchami štítné žlázy. Max Lüscher testováním po celém světě zjistil, že ve fialové nalézají zvláštní zálibu Peršané, černoši z Tanganiky a Indiáni ze střední Brazílie.

žlutá	povzbuzuje, osvobozuje, přináší uvolnění, pocit souladu, harmonie, působí vesele a otevřeně
oranžová	je slavnostní, vyvolává pocit radosti, je spoj. s představou slunce, tepla, bohatství, zlata, úrody
světle zelená	působí přirozeně, ale někdy i jedovatě, je spojena s představou chladu, vlhka, ticha, rostlin
tmavozelená	uklidňuje a chrání, ale také omezuje, je přátelská, dává pocit bezpečí a naděje
tmavomodrá	klidná, vážná až skličující, barva dálek, hloubky, rozjímání a smutku
světle modrá	působí přívětivě, vyvolává představu oblohy a vzduchu, ticha a touhy
červená	vzrušující, energická, prudká až náruživá, silná, mocná, spojená s představami ohně, krve, nebezpečí, lásky hluku
purpur	působí důstojně, hrdě, vznešeně, povzbudivě, je spojen s představou spravedlnosti a majestátu
fialová	neklidná, znepokojivá, melancholická, tajemná, osobitá, náročná
světle fialová	působí začarovaně, rozpolceně, slabošsky, je to barva magie, melancholie, opojení
hnědá	střízlivá, mlčenlivá, solidní a vážná, realistická, spojená s  představou jistoty a pořádku, domova, tradice, zdrženlivosti
šedá	netečná, smutná, spojená s představou chudoby a pokory
bílá	neurčitá, nejistá, spojená s představou nevinnosti a čistoty
černá	barvy vzdorného protestu, zlého tajemství, nicoty, smrti

Obr. 31 – Klíč k psychologii barev

Teplá, jasná žluť působí povzbudivě, osvobodivě. Tato barva symbolizuje změnu a nový začátek. Rádi ji mají lidé bezprostřední, plní nadějí a očekávání. Lidem jejichž naděje byly zmařeny, se žlutá zdá pokrytecká a licoměrná. Odmítání žluté prozrazuje zklamání a nedůvěru v budoucnost.

Hnědá barva je spojena s představou tělesných požitků. Rádi ji mají ti lidé, které zajímá nejvíce ze všeho jejich vlastní pohodlí, ale také lidé unavení a vyčerpaní, kteří touží po odpočinku. Hnědou barvu odmítají ti lidé, kteří touží po aktivním životě, kteří se chtějí odlišit od průměru a být výjimeční. Vyrovnaný člověk má k hnědé obvykle lhostejný vztah.

Šeď je neutrální, neživotná. Ten, kdo preferuje tuto barvu, prozrazuje, že o sobě nechce nic prozradit, že mu vyhovuje postoj nezúčastněného pozorovatele, je to alibista utíkající před nutností zaujímat stanoviska, ale může to být i člověk, který je příliš unavený. Ten, kdo šeď odmítá, touží po vzrušení a dobrodružství, po barvitém životě.

Černá barva je barvou protestu a vzdoru. Pokud někdo dává přednost černé barvě, dává tím najevo, že odmítá svůj úděl. Pokud v testu někdo preferuje černou, upozorňuje tím na nějaký závažný vnitřní konflikt.

6.5. Výzkum preferencí barev

Lidé mají k barvám různý vztah. Každý z nás více či méně snadno dovede určit, která barva je mu nejvíce sympatická, kterou má nejraději, které by dal přednost před ostatními. O takové barvě se dá říci, že ji preferujeme před ostatními. Tato tendence se nápadně projevuje například v oblékání, kde mnozí lidé dávají některé barvě nebo skupinám barev výraznou přednost před ostatními barvami.

Naopak zase jsou barvy, které rádi nemáme, které odmítáme. Výzkumy například ukázaly, že ze sta dospělých obojího pohlaví asi 20 osob označí za svoji nejoblíbenější barvu modrou, 19 červenou, kdežto nejmenší procento (jen asi 12 osob ze sta) barvu fialovou a žlutou. Na základě mnoha získaných údajů bylo možno sestavit statisticky „normální“ řadu preference u dospělých osob, v nichž se badatelé přibližně shodují na tomto pořadí barev (barvy jsou seřazeny od nejoblíbenější po nejméně oblíbenou): modrá, oranžová, zelená, červená, fialová, žlutá. Podrobnější experimenty dokázaly rozdíly mezi muži a ženami. U dvacetiletých až třicetiletých žen bylo zjištěno následující pořadí: modrá, oranžová, žlutá, , zelená, červená, fialová. U starších osob a u dětí figuruje na prvním místě červená před modrou. V každé skupině se ovšem najdou i výjimky – lidé, kteří mají nejraději žlutou nebo fialovou. Těchto „výjimek“ není málo, proto má tzv. normová řada preferencí barev jen omezenou platnost. Zajímavější by zajisté bylo zjistit, proč ten či onen člověk preferuje právě tu či onu barvu. Neméně zajímavé je, že statistické pořadí obliby jednotlivých barev je u různých etnických celků, věkových skupin a příslušníků různého pohlaví odlišné. Rozdíly mohou být způsobeny i aktuálním zdravotním stavem nebo psychologickým typem jedince.

Obr. 32 – Pořadí barev podle obliby – preference

6.6. Barvy nevnímáme pouze očima

Při výzkumech s ozařováním pokusných osob barevnými světly se měřil jejich krevní tlak a puls. Zjistilo se, že červené světlo vyvolalo zřetelný pokles tlaku – zhruba 20 mm rtuťového sloupce. Modré světlo vyvolalo vzestup tlaku. Změny frekvence tepu však pozorovány nebyly. Při zeleném a žlutém světle podle naměřených údajů k evidentním změnám krevního tlaku nedocházelo

Zajímavé jsou i další výzkumy, které si všímaly svalových reakcí pokusných osob. Tyto osoby byly požádány, aby předpažily a bylo jim posvíceno do obličeje a na krk barevným světlem. Bylo-li světlo červené, jejich paže se bezděčně trhavě pohybovaly směrem ke zdroji světla, bylo-li světlo modré, uhýbaly před ním. Tato reakce nastala, i když se pokusným osobám zavázaly oči, a nastala dokonce i u slepců.

Tímto pokusem se mimo jiné podařilo dokázat, že člověk nevnímá barvu jen očima, ale že i povrch lidského těla, je na barevná světla citlivý bez zprostředkování vjemu zrakem. Lidská pokožka zřejmě obsahuje buňky, které mají přímé spojení s nervovým systémem a barevné záření tak přímo ovlivňuje napětí neboli tonus svalů. Zjistilo se, že červené světlo zvětšuje svalový tonus z normálních 23 jednotek na 42 jednotek a oranžové světlo na 35 jednotek. Vnikalo-li světlo pouze do jednoho oka, rostlo svalové napětí jen v odpovídající polovině těla. Pokusné osoby sedící s předpaženými pažemi reagovaly na červené světlo tak, že se jejich paže mimovolně odtahovaly od sebe, zelené světlo způsobovalo, že se paže trhavými pohyby přibližovaly k sobě.

Původcem změn polohy paží byly změny jak v povrchových tak i v hloubkových počitcích vyvolaných optickým podnětem. Přitom světlo nepůsobí jen na svaly, ale na stav celého organismu. Uvádí se, že červené světlo má velkou pronikavou sílu, působí do hloubky a na krev, aktivizuje sexuální hormony a podporuje tvorbu krevního cukru. Podobně jako světlo zelené tlumí metabolismus – tj. chemické pochody v organismu, které umožňují přeměnu látek a energií a vytváření energie potřebné ke krytí tělesných funkcí. Nejpříznivější účinky na lidský metabolismus má světlo žluté a purpurové. Efekty modrého světla jsou obecně protikladné účinkům světla červeného. Modré světlo podporuje oxidaci, okysličování tkání, a aktivizuje respirační enzym – podporuje dýchání. V tomto smyslu je asi třikrát účinnější než světlo zelené nebo žluté. Modré světlo však zpomaluje hormonální činnost.

6.7. Barevné asociace

Mezi barvami a našimi pocity existuje zvláštní vztah. Barvy působí fyziologicky na lidský vegetativní systém. Tzv. teplé barvy, mezi kterými převládají žlutá, červená a oranžová, nás podněcují ke zvýšené aktivitě, stoupá nám krevní tlak, zrychluje se puls, povzbuzuje se činnost vegetativního nervstva, zvyšuje se i svalové napětí. Taktéž máme větší chuť k jídlu, zřetelněji vnímáme hluk, dokonce se nám zdá, že čas jakoby rychleji ubíhá. Studené barevné odstíny, mezi kterými převládají modrá a zelená, mají účinek právě opačný – uklidňují a vyvolávají útlum tělesných funkcí.

Samotná fyziologie všechno vysvětlit nestačí, jelikož barvy nepůsobí jen na naše tělo, ale i na duši.

Modrá – to je chlad. Ale naše vnímání nám dále hlásí: hloubka, dálka,touha, klid, zadumání, osamělost… Odkud se ale všechny tyto významy vzaly?Co vše je modré? Modré je moře, obloha, zamlžený obzor,stín a dálky. Modrá je vždycky ve vztahu k temnotě, ke vzdálenému, neskutečnému, nekonečnému. A všechny tyto představy se v našich myslích sdružují a přiřazují se ke vjemu modré barvy. Tomuto sdružování představ se v psychologii říká asociace.

Nic nevnímáme izolovaně a jen samo o sobě. Každý vjem prochází v našem mozku jemným a složitým filtrem zkušeností, vědomostí a zážitků. Představy se do naší mysli neukládají odděleně, ale ve vzájemné souvislosti. Když se k nim pak člověk vrací, jedna představa vyvolává druhou, vzniká řetězec asociací.

Někteří badatelé soudí, že i samo fyziologické působení barev je výsledkem asociací. Modrá a vůbec nejchladnější barva, modrozelená, jsou barvami studené vody, ledu, teplá červeň zase připomíná oheň, žlutá a žlutooranžová jsou v našich představách spojeny se žhnoucím sluncem. Asociace ovšem zdaleka nejsou vždy tak jednoduché a přímočaré. Zážitky, které doprovázejí každý vjem, dávají barvám stále nové a nové významy: podobné a blízké, ale i daleké či docela protikladné.

Vnímání barev často doprovázejí silné citové zážitky – mohou být jak příjemné tak i nepříjemné a silně ovlivňující náš vztah k barvám. Kdo si spojuje žlutou barvu se sluncem a pampeliškami na jaře, bude mít pocit libý, kdo ale se žloutenkou, bude mít pocit nelibý. Asociace barev s některými zážitky mohou být i neobyčejně silné. Barva pak může okamžitě vyvolat určitý prožitek, anebo naopak stačí dokonce pouhá zmínka o takovém zážitku aby vznikl vjem barvy.

6.8. Synestézie – nediferencované vjemy

Existují lidé, pro něž mají barvu tóny klavíru nebo dokonce i dny v týdnu. Tito lidé spojují barvu s pocity a vjemy, které vlastně se zrakem už nemají nic společného. Možná by někdo řekl, že to jsou jen fantazie nebo dokonce autosugesce. Avšak vědcům je tento jev známý a nazývají ho synestézie neboli nediferencované vjemy. Někteří jedinci totiž nerozlišují v některých případech přesně, které vjemové centrum bylo podnětem zasaženo, a pak u nich nastává vjemově smíšená, nevyhraněná odezva, takže mohou „chutnat“ barvy, „slyšet“ barvy, apod.

Zhruba před půlstoletím byl zaznamenám a změřen fyziologický jev spočívající v tom, že zvukové podněty zesilují vnímání některých barev a naopak některé barvy zesilovaly současně vnímaný vjem sluchový. Dále byl zjištěn vliv barev na ostatní smyslové receptory, zejména na chuť a čich. Dokazuje to, že smyslová vjemová centra jsou určitým způsobem propojena, a že tedy i synestézie mohou být psychologicky zcela reálné.

Někteří jedinci jsou na tyto synestézie zvláště citliví, pak vědci mluví o tzv. barevném slyšení. Malíři pěstují tzv. muzikální grafiku, což jsou pokusy o malířské barevně adekvátní vyjádření zvuku nebo hudební skladby.

Nesporné je, že asociace a synestézie vedou k tomu, že hovoříme o barvách teplých a studených, lehkých a těžkých, vlhkých a suchých apod. Jsou to pocity, jimiž na nás barvy mohou za určitých podmínek působit.

6.9. Dynamika barev

Vědecky bylo dokázáno, že určité barevné řešení prostorů lidi aktivizuje, jiné koncentruje jejich pozornost a vytváří pohodu, jejímž důsledkem je menší procento úrazovosti a lepší soustředění na práci vedoucí ke zvýšenému celkovému výkonu.

Optimální barevné řešení prostorů snižuje únavu a pomáhá vytvářet psychickou pohodu. Pozornost se věnuje například úpravě místností ve školách a ve zdravotnických zařízeních, kde barva může přispět nejen k architektonickému dotvoření prostor a jejich korekci, ale i k tomu, aby člověk pobyt v těchto místnostech lépe snášel.

Barva dovede taktéž alespoň pocitově opticky korigovat celkový dojem z prostoru. Syté a temné barvy prostor dojmově zmenšují, některé světlé tóny dokáží prostor opticky zvětšit a vytvářejí tak dojem větší volnosti.

Světlými nátěry stěn se zvyšuje prosvětlenost tmavých prostorů, syté či tmavší tóny naopak potlačují přesvětlení. Například teplé barvy stěn a zařízení zmírní pocit chladu v prostorách, kde jsou nižší teploty. Studené barvy stěn a zařízení naopak zmírňují pocit horka v prostorách, kde je příliš horko.

6.10. Vjemová barevná konstanta

Vjemová barevná konstanta je jednou z nejdůležitějších psychologických zvláštností lidského vnímání. Někteří fyziologové ji vysvětlují jako adaptační schopnost oka. Vjemovou barevnou konstantou se lidská psychika brání proti přemíře diferencovaných barevných vjemů, které by mohly narušit naši představu světa, v němž žijeme, respektive by nedovolily, aby se taková představa vytvořila a ustálila. Barevné vjemy téže části přírody se totiž v průběhu dne i roku značně mění – např. vlivem různého zabarvení slunečního světla v průběhu dne. Barevná konstanta těmto příliš častým a jemným změnám čelí, což lze ukázat na příkladech:

1. Sestavíme si skupinku předmětů různých barev včetně bílé a budeme ji pozorovat barevným, např. žlutým sklem. Tento barevný filtr změní vjem barev všech pozorovaných předmětů, neboť je zabarví dožluta, bílé předměty se nám budou jevit jako žluté, zaměříme-li pozornost jenom na ně. Avšak když vnímáme skupinku předmětů jako celek, objeví se nám i ve žlutém filtru tyto předměty ve správných barevných vztazích. Poznáme, který předmět byl původně bílý – jako bílý jej vidíme, a také ostatní předměty vnímáme v jejich „skutečných barvách“. Svědčí to o tom, že náš zrak posuzuje daný výsek skutečnosti jako celek, a nemá-li za úkol přímo určit jednotlivou barvu, posuzuje spíše vzájemné vztahy barev – světlostní rozdíly a rozdíly v tónech – než absolutní barevnost jednotlivých předmětů. A tyto rozdíly zůstávají i v barevném osvětlení relativně stejné, takže se nám celá skupinka předmětů jeví tak, jako bychom ji viděli v bílém světle.

2. Lokální barva předmětů se také mění odrazem světla od velkých barevných ploch. Posadíme-li se s knížkou pod strom se zeleným listím a budeme číst, zabarví se listy knihy světlem odraženým od zelené koruny stromu do zelena, a to dosti výrazně. Zrak však toto zabarvení zpravidla nevnímá, protože působením barevné vjemové konstanty se barevně změněný vjem převede na vjem zkušeností ověřený – zkušeností s běžným denním osvětlením – a my vnímáme listy knihy jako bílé.

Proto také docházelo na přelomu minulého století k nedorozumění mezi malíři impresionisty a jejich diváky. Malíři se snažili věrně zaznamenat okamžité zrakové vjemy vyvolané různou barvou slunečního světla a jeho odrazu, ale diváci nechtěli připustit fakt, že odraz světla od modré oblohy nebo žluté světlo červánků může zabarvit např. sníh a stíny na něm jednou domodra a jindy dožluta. Zazlívali malířům, že je klamou a že si vymýšlejí, protože vjemová konstanta působila, že se v jejich podvědomí upevnil povšechný barevný vjem zkušenosti nejčastěji prověřený – a to totiž, že sníh je bílý – a nevyvinutá citlivost jejich zraku k jemným barevným diferencím je v tom utvrzovala.

Z toho vyplývá, že náš zrak se běžně nezabývá přesným rozlišováním jemných barevných nuancí izolovaně, pokud to není přímo úkolem pozorování. Při běžném pohledu se spokojíme s konstatováním přibližné barevnosti v hlavních barvách – snad proto ani terminologie v oblasti jemných barevných nuancí není dostatečně propracována. „Modrá“ říkáme všem nesčetným odstínům modré barvy v celém jejím rozpětí, pokud se liší od zelené nebo červené. Proto se náš zrakem vnímaný svět nemění, udržuje se v konstantní barevnosti a je nám důvěrně známý a blízký.

Barevná konstanta, ale neplatí bez výjimek. I kdybychom se celý život živili krásně propečenými bifteky s rudohnědou kůrčičkou, tak docela určitě se nám neseběhnou sliny, jestliže nám steak naservírují v restauraci, kde svítí modré světlo. Tady paměť najednou nefunguje – mrtvolně zbarvené maso budí spíše odpor, i když stále pěkně voní – viz. obr. 33.

Obr.33

Mozek plní roli režiséra, který dbá, aby každý záběr – každý náš vjem – měl svůj jasný smysl a dobře zapadl do složitého celku díla, jímž je v tomto případě naše vizuální představa světa.

7. Pokusy na aditivní s subtraktivní míšení barev

Součástí zadaní mé diplomové práce bylo vytvořit pomůcky pro demonstraci aditivního a subtraktivního míšení barev. Níže uvedené popisy pokusů a jejich metodiky jsou názornou ukázkou možností využití těchto pomůcek ve výuce.

Oba typy pokusů, jak aditivní míšení barev, tak i subtraktivní míšení barev, lze výhodně využít jako motivační experimenty, představují něco nečekaného a překvapivého, dokážou udržet pozornost i na následující dlouhý teoretický výklad.

7.1. Aditivní míšení barev

Pomůcky

· stojánek s motorkem s korekcí

· nasazovací kotouč na motorek

· sada výměnných různobarevných kotoučů

· propojovací vodiče

· 4,5 V baterie nebo zdroj napětí

· šroubovák

· šroub s podložkami

Příprava pokusu

Na volný konec korekce od motorku přiložíme nasazovací kotouč. Pomocí šroubováku a šroubu s podložkami pevně nasazovací kotouč přišroubujeme ke korekci od motorku. Na plus pól a mínus pól 4,5V baterie nebo na zdroj napětí, na kterém je nastavena velikost napětí 4,5V připevníme vodiče – červený na kladný pól a modrý na záporný pól. Na opačné straně stojánku s motorkem jsou dvě zdířky – červená a modrá a přepínač, který přepneme do spodní polohy. Zdířky spojíme pomocí druhých volných konců vodičů s baterií nebo se zdrojem – červený vodič zasuneme do červené zdířky a modrý vodič do modré zdířky.

Provedení pokusu

Na nasazovací kotouč přiložíme zadní stranou jeden různobarevný kotouč a pevně jej k nasazovacímu kotouči přitlačíme. Do tabulky si poznačíme, z jakých barev se výměnný kotouč skládá. Poté přepneme přepínač na zadní straně stojánku s motorkem do horní polohy. Nasazovací kotouč se spolu s výměnným kotoučem roztočí a na přední straně výměnného kotouče uvidíme namísto původních barev jinou barvy nebo barvy (podle toho, jaké je rozmístění barev na kotouči). Do tabulky si zaznamenáme, jaká nová barva nebo nové barvy vznikly. Přepnutím přepínače na zadní straně do spodní polohy motorek odpojíme od zdroje napětí a kotouče se po chvíli zastaví. Po zastavení kotoučů můžeme nasazený výměnný kotouč oddělat a na jeho místo umístit kotouč s jiným barevným motivem a celý postup znovu zopakovat.

Barvy na barevném kotouči

Výsledná barva kotouče

Vyhodnocení pokusu

Žáci se přesvědčí o tom, že je možné složením dvou a více barev získat barvu další, odlišnou a světlejší, než byla nejtmavší z původních barev.

Poznámka

Tento pokus je velmi nepříznivě ovlivňován zářivkovým osvětlením, které dokáže způsobit nepříjemné stroboskopické efekty.

Osobní vjem výsledných složených barev značně závisí na konkrétní osobě, úhlu osvětlení, pozorování, …

7.2. Subtraktivní skládání barev

Části provádění pokusů a) a b) je vhodné použít jako motivační experimenty pro větší motivaci a zaujetí žáků před vlastním výkladem. Části c) a d) jsou určeny k provedení samotnými žáky po probrání učiva.

Pomůcky

• barevné fólie (červená, zelená, modrá a žlutá) jako světelné filtry
• obdobné barevné fólie nastříhané na proužky
• zpětný projektor

Příprava pokusu

Připravíme a roztřídíme podle barev barevné filtry nebo proužky s barevnými filtry.

Provedení pokusu

a) Zapneme zpětný projektor, položíme na něj jeden barevný filtr a prohlédneme si barvu, jež vznikla průchodem světla skrz barevný filtr. Poté přiložíme druhý barevný filtr tak, aby jen částečně překrýval první filtr a opět si prohlédneme vzniklé barvy Následně přiložíme třetí barevná filtr tak, aby částečně překrýval první barevný filtr, druhý barevný filtr a také jejich vlastní překrytí. A opět si prohlédneme vzniklé promítnuté barvy. Obdobně umístíme i poslední čtvrtý barevný filtr.

b) Na zpětný projektor budeme postupně pokládat přes sebe různé barevné filtry a budeme sledovat, jak se mění výsledná barva světla v místech překrytí filtrů.

c) Vybereme jeden barevný filtr a podíváme se skrz něj proti světlu. Vezmeme filtr jiné barvy a podíváme skrze tento druhý filtr. Pak první filtr a druhý filtr částečně vzájemně překryjeme a podíváme se skrze jednotlivé nepřekryté částí obou filtrů a skrze vzájemně překrytou část filtrů. Tento postup zopakuje se všemi barevnými filtry navzájem. Můžeme částečně překrývat nejen dva filtry, ale i tři nebo dokonce všechny čtyři.

d) Vezmeme si roztříděné barevné filtry nastříhané na proužky a budeme je skládat a proplétat jeden přes druhý až nám vznikne barevný vzorníček čtvercového tvaru. Podíváme se skrze tuto „šachovnici“ na světlo.

Vyhodnocení pokusu

a) Při pohledu skrze překrývající se části barevných filtrů vidíme, že světlo procházející překrývajícími se částmi filtrů, je tmavší barvy než světlo procházející jedním nebo druhým filtrem.

b) Při pohledu skrze barevnou „šachovnici“ uvidíme, že tam, kde se překrývají dva proužky různých barev, vznikla barva jiná a sice tmavší, než je barva jednoho nebo druhého filtru.

Poznámka

Pokud se pokus provádí s fóliemi, které nejsou monochromatické (mně se je nepodařilo bohužel sehnat), pak bude výsledek pokusu značně zkreslený, oproti tomu, kdyby se prováděl pomocí speciálních monochromatických fólií.

Seznam použité literatury:

1. Pleskotová Petra. Svět barev; 1.vydání; Praha: Albatros, 1987. 202 s.
2. Brožková Ivana. Dobrodružství barvy; 1.vydání; Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1983. 288 s.
3. Parramón José M.: TEORIE BAREV; 1. vydání; SVOJKA a VAŠUT, 1995, 112 s.
4. Pospíšil Jaroslav: Mísení barev a jejich grafické znázornění; Rozhledy matematicko-fyzikální; Praha: SPN, 1998, roč. 75, s. 160-166.
5. Pospíšil Jaroslav: Barva světla a tělesa a její vnímání; Rozhledy matematicko-fyzikální; Praha: SPN, 1998, roč. 75, s. 113-118.
6. Štrba Anton: Všeobecná fyzika 3:OPTIKA; 1. vydání; Alfa Bratislava a SNTL Praha, 1979, s. 65-70.
7. Jáchim František: Fyzika a vidění; Rozhledy matematicko-fyzikální. Praha: SPN, 1987-88, roč. 66, s. 368-371.
8. Veverková Lada: Psychologie barev – prožívání barev a jejich preference; Československá psychologie, ACADEMIA, 2002, roč. XLVI, č. 1.
9. Smith Ray: Encyklopedie výtvarných technik a materiálů; 1. vydání; Praha:Slovart, 2000, 352 s.
10. http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/C5DD501744066983C1256F0000343912?OpenDocument&cast=1

11. http://www.paladix.cz/sekce/teorie/

12. http://www.soc.soton.ac.uk/JRD/SCHOOL/eq/eq001b_emspec01.html
13. http://www.labo.cz/mft/rad_pasma.htm
14. http://webvision.med.utah.edu/imageswv/sagitta2.jpeg
15. http://aitie.scssoft.com/barvy/barvy.html
16. http://www.brucelindbloom.com/
17. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/f/fb/PrismAndLight.jpg
18. http://www.sanford-artedventures.com/study/g_color_wheel.html

Závěr

V diplomové práci jsem shrnul a logicky setřídil poznatky z různých vědních oborů, zabývajících se problematikou barevného vnímání. Z textu práce je zřejmé, že barevné vnímání je složitý fyziologický a psychologický jev, který nestačí zkoumat jen z pohledu fyzikálního, ale je třeba se na něj dívat jako na problém, jenž prostupuje skrze různé obory.

Pro názornější výklad vztahů mezi barvami pro žáky na ZŠ jsou součástí mé diplomové práce i pomůcky na pokusy demonstrující aditivní a subtraktivní míšení barev.

Resumé

Diplomová práce „Vnímání barev“ je ve své hlavní části zaměřena na problematiku barev. Je v ní vysvětleno, kde se barvy berou, jak vznikají, jak a proč barvy vidíme, jaké jsou vztahy mezi barvami a zdali a jakým způsobem nás barvy ovlivňují jak po stránce fyziologické tak i psychologické.

Další část diplomové práce pojednává o pokusech, demonstrujících aditivní a subtraktivní míšení barev, vhodných pro výuku dětí na základní škole.

The dissertation „Perception of colours” is in the main part focused on colours. It explains why colours exist, how they come into being, why we see them and if and how colours affect us phyziologialy and psychologicaly.

The second part of the dissertation deals with experiments demostrating aditive and subtractive mixed colours which are useful for teaching pupils at schools.