Viaggio nei colori: da Newton al telefonino

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04/02/2014 17:56 - 09/02/2017 14:55 #123 da P. Strolin
P. Strolin ha creato la discussione Viaggio nei colori: da Newton al telefonino
Viaggio nei colori: da Newton al telefonino
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Per domande: autore o Domanda a un esperto
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Arte e Scienza sono normalmente viste come domini a parte, collegati tra loro solo attraverso di noi se appassionati di entrambe. Riflettendo, ci rendiamo conto che non è totalmente così. Lo mostra per esempio l’uso della prospettiva geometrica nell’Arte rinascimentale. Ne parla Quarks nell’evoluzione dell’Universo portandone a illustrazione la Flagellazione di Cristo di Piero della Francesca (1412-92).

Il colore offre la possibilità di ritrovare lo spirito che rese grande il Rinascimento, e anche a estenderlo a discipline scientifiche correntemente viste in modo non collegato. Qui e nell’articolo congiunto Viaggio nei colori: quarks e gluoni facciamo un “viaggio nei colori”. Possiamo “toccare con mano” che il concetto di colore presenta realtà molto più complesse e interessanti di quanto si possa immaginare senza l’ausilio della Scienza. Mettiamo a fuoco la differenza e relazione concettuale tra il “colore oggettivo” della fisica e il “colore soggettivo” della percezione visiva. Parliamo del “colore dei quarks”, e dei gluoni che li legano assieme entro le particelle subatomiche. Possiamo individuare nella teoria tricromatica del colore un suo anello di collegamento con il colore della percezione visiva, e quindi anche con l’Arte e con l’odierna Tecnologia della visione. Il mondo microscopico delle particelle elementari è così saldato a quello macroscopico, legato alla nostra vita quotidiana e direttamente accessibile alla nostra sensibilità.
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Fig. 1. Luigi Ghirri
Dalla Mostra Viaggio in Italia, Bari (1984)
Museo di Fotografia Contemporanea, Milano
Immagine Artista Goloso
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Fig. 2. Un arcobaleno pre-quantistico
Commemorazione di Joseph von Fraunhofer
Immagine Wikipedia

Il colore oggettivo della Fisica

Tutti conoscono la meraviglia dell’arcobaleno nel cielo dopo la pioggia. La figura 1 ne mostra uno simbolicamente proiettato verso il cielo da un’umile pozzanghera (padana) vicina ad un campo irrigato “a pioggia”, in una straordinaria fotografia di Luigi Ghirri (1943-92) ora al Museo di Fotografia Contemporanea di Cinisello Balsamo (Milano).

L’osservazione attenta dei fenomeni naturali apre la strada a comprenderli con la Scienza. Nel 1704 Isaac Newton (1649-1727) raccolse le sue osservazioni sulla luce nella fondamentale opera Opticks: or a treatise of the reflexions, refractions, inflexions and colours of light . In particolare, nel 1672 egli riprodusse i colori dell’arcobaleno in laboratorio, osservando la dispersione cromatica prodotta dalla “ rifrazione ” in un prisma ottico. Egli così evidenziò che la luce solare contiene in realtà un bellissimo insieme di colori, invisibili nel loro miscuglio comunemente osservato.

Nel 1801 il fondamentale esperimento di Young osservò effetti di “interferenza” tra la luce fatta passare attraverso due fenditure contigue e così evidenziò la sua natura ondulatoria. L’esperimento di Young fu il punto di partenza per la comprensione della dispersione cromatica osservata da Newton. Esso fu anche fondante dal punto di vista metodologico, come illustrato in Onde e particelle per pedoni molto curiosi . Ritorneremo a breve su Thomas Young (1773-1829) e il suo genio eclettico.

In esperimenti iniziati nel 1814 Joseph von Fraunhofer (1787-1826) scoprì che lo spettro (ossia la distribuzione in frequenza) della luce solare contiene numerose linee scure. Le regolarità di queste “righe di Fraunhofer” furono oggetto di numerosi studi. In particolare, sorprese la semplice regolarità evidenziata nel 1885 da Balmer (1825-1898) per l’Idrogeno, nella quale apparvero numeri destinati a diventare “quantici”. Ora sappiamo che le righe di Fraunhofer sono dovute a un assorbimento in transizioni quantistiche tra livelli energetici elettronici in atomi lungo il percorso della luce. Fraunhofer iniziò così ad aprire uno spiraglio nel portone della Fisica Quantistica, che fu spalancato un secolo più tardi.

Abbiamo citato solo alcuni punti salienti del lavoro scientifico che ha portato a comprendere arcobaleno e prisma e a iniziare il cammino verso la fisica moderna. La deviazione della luce per rifrazione nel prisma è funzione dell’indice di rifrazione, il quale dipende dalla lunghezza d’onda. La dispersione cromatica è sostanzialmente una dispersione di lunghezze d’onda. Per questo, in Fisica il concetto di colore ha un contenuto “oggettivo”, strettamente collegato alla lunghezza d’onda (o alla frequenza corrispondente ) della radiazione luminosa. Il colore è un “continuum” e la lunghezza d’onda offre una “misura” del colore. Da questo proviene la denominazione di “spettro” (in lunghezza d’onda o frequenza) della luce solare. Le righe di assorbimento atomico offrono riferimenti per una calibrazione assoluta della misura del colore, con estrema precisione.

Nell’ arcobaleno il ruolo rifrangente del prisma è assunto dalle goccioline d’acqua nell’atmosfera ancora umida dopo la pioggia: quando il sole è dietro le nostre spalle, la sua luce entra nelle gocce davanti a noi e si divide in tanti colori che vengono riflessi all’indietro fino ai nostri occhi. La figura 2 mostra la distribuzione spettrale di un “arcobaleno pre-quantistico”: lo spettro della luce solare in un francobollo commemorativo nel bicentenario della nascita di Joseph von Fraunhofer.
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Fig. 3. Sintesi additiva di rosso, verde e blu
Immagine M.A. Dodero
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Fig. 4. Claude Monet, Regata ad Argenteuil (1872)
Musée d’Orsay, Parigi
Immagine Corso di Storia dell’Arte - Francesco Morante

Colore percepito e sua sintesi

La visione è un fenomeno complesso e le conoscenze necessarie per capirlo vanno dalla Fisica, alla Fisiologia, al funzionamento del cervello. Il “colore percepito” ha come passo finale un processo di “sintesi” operato dal cervello e quindi soggettivo. Lo dimostrano le illusioni ottiche e il fatto che la percezione del colore è diversa in persone affette da daltonismo. Il colore percepito è quindi “soggettivo” e confonderlo con il “colore oggettivo” della Fisica classica significa non considerare tutto quello che accade dall’occhio al cervello.

Nel 1807 Thomas Young propose una teoria della visione secondo la quale il nostro occhio ha tre differenti tipi di recettori del colore. Ora sappiamo che nella struttura della retina vi sono tre tipi di “coni recettori” con picchi di sensibilità in corrispondenza di rosso, verde e blu. La stimolazione di questi tre recettori è raccolta e sintetizzata dal cervello, che associa la percezione al nome di uno dei campioni contenuti in una tavolozza. L’eclettismo di Young fu davvero stupefacente: suo è il già citato esperimento di Young (1803) che evidenziò la natura ondulatoria della luce; sua è l’intuizione che portò a decifrare la stele di Rosetta e a comprendere la scrittura geroglifica dell’antico Egitto.

L’acquisto di una vernice ci fa render conto che almeno una parte del processo visivo è alla portata della nostra immediata comprensione. Chiediamo al negoziante un barattolo di vernice per esempio arancione, indicandogli anche precisamente quale arancione vogliamo. Egli ovviamente non ha barattoli con vernici di ogni possibile colore, ma va nel retrobottega e torna con un barattolo contenente una vernice del colore richiesto (salvo successivi aggiustamenti). Egli lo ha “sintetizzato” senza problemi, mescolando colori da pochi barattoli.

Il prodigio è stato fatto in base alla ” Teoria del colore ”. La varietà dei colori che vediamo e classifichiamo con nomi specifici può essere ottenuta mediante una “sintesi additiva” mescolando dei “colori base” in opportune proporzioni. Il “continuum” dei colori in funzione della lunghezza d’onda viene associato a quello nelle proporzioni del miscuglio. I colori base classicamente utilizzati sono rosso, verde e blu. La sintesi additiva di rosso, verde e blu in uguali proporzioni dà il colore “neutro” chiamato bianco, come mostrato in figura 3.


Il colore delle cose viste

Il colore delle cose viste risulta dalla convoluzione di tre distribuzioni spettrali: della luce che le colpisce, della sua diffusione da parte di esse e della nostra capacità di percepire i diversi colori. Lo illustreremo attraverso alcuni esempi.

Una lampada rossa fa apparire tutto rosso. I subacquei che s’immergono in profondità nel mare vedono colori bluastri perché la radiazione blu resiste maggiormente all’assorbimento da parte dell’acqua marina. In un lago l’assorbimento è maggiore a causa della presenza di torbidità (in particolare microorganismi nella stagione calda): a profondità dell’ordine dei 40-50 metri la luce è spesso totalmente assorbita e bisogna ricorrere a una navigazione subacquea interamente strumentale, basata su bussola e profondimetro. Le righe di Fraunhofer sono dovute a un assorbimento.

Un corpo “nero” assorbe tutto e non restituisce nulla per diffusione. Uno specchio restituisce tutto e non altera i colori.

Le molecole gassose nell’atmosfera hanno dimensioni dell’ordine dell’ångström (0,1 nm = 0,1 miliardesimi di metro), molto più piccole della lunghezza d’onda della luce visibile (380-750 nm). In queste condizioni, la diffusione aumenta fortemente con il diminuire della lunghezza d’onda e quindi privilegia il violetto nel colore oggettivo del cielo diurno. Lo spostamento verso l’ azzurro proviene dalla maggiore sensibilità dei fotorecettori dell'occhio umano a lunghezze d’onda più grandi.
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Fig. 5a. Georges Seurat, La Senna alla Grande Jatte – Primavera (1888)
Musées Royaux des Beaux Arts de Belgique, Bruxelles
Immagine Wikipedia
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Fig. 5b. Dettaglio di figura 5a



Da Impressionismo a Matisse

Il fenomeno fisico della scomposizione del colore nel prisma e nell’arcobaleno, assieme alla conoscenza della sintesi cromatica, ha influenzato il mondo dell’Arte oltre un secolo fa con l’ Impressionismo . Gli Impressionisti hanno scomposto i colori visibili come fanno i prismi in un laboratorio di ottica o le goccioline d’acqua nel cielo umido di pioggia, affiancandoli e lasciando al nostro cervello il compito di ricombinarli o no nella “impressione” elaborata tramite una sintesi dei segnali provenienti dagli occhi.

La figura 4 mostra la “ Regata ad Argenteuil ” di Claude Monet (1840-1926). Con la scomposizione in “tocchi-colore”, l’Impressionismo tese a risolvere scientificamente un problema prima affidato alla sola magica esperienza dell’artista: il dare un effetto di luminosità.

Il successo dell’Impressionismo portò a un seguito nel “ Puntinismo ”, nel quale la connessione con la Fisica traspare con un esplicito manierismo basato sull’uso di “punti-colore”. La figura 5 ne è testimone con un dipinto di Georges Seurat (1859-91). Anch’esso ha per tema la Senna, il suo ambiente e le increspature cromatiche dell’acqua, care alla pittura “ de plein air ” degli Impressionisti.
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Fig. 6. Georges Braque, Baia a La Ciotat (1907)
Musée National d'Art Moderne, Centre Pompidou, Parigi
Immagine Georges Braque
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Fig. 7. Henri Matisse, Il parrocchetto e la sirena (1952)
Stedelijk Museum, Amsterdam
Immagine Wikipaintings

La passione per il colore puro diede impulso ad affrancarlo in “tocchi-colore liberi” nel “ Fauvisme ”, come nel dipinto dei primi anni di Georges Braque (1892-1963) mostrato in figura 6. Questa passione, mai più estinta dai tempi dell’Impressionismo, giunse poi a far decantare forme interamente campite di colore. Nella “composizione” di Henri Matisse (1869-1954) in figura 7, il colore vive identificato con la “sua” forma, in una armonia complessiva di autonome “forme-colore” che si compongono liberamente senza mandato descrittivo.
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Fig. 8. La struttura a pixels dello schermo di un telefono cellulare
Immagine Wikipedia
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Pixels-colore

L’applicazione di nuove conoscenze scientifiche ha stimolato e sostenuto uno strabiliante sviluppo della Tecnologia della visione, sia per quanto riguarda gli schermi che l’elettronica. Tuttavia, il principio base della sintesi cromatica resta quello che ispirò Thomas Young nel 1807. La figura 8 mostra l’epigono tecnologico del Puntinismo: un ingrandimento al microscopio dello schermo di un telefono cellulare realizzato con la tecnologia AMOLED (Active-Matrix Organic Light-Emitting Diodes). I LED (Light-Emitting Diodes) sono microdispositivi a stato solido che trasmettono corrente in una sola direzione (“ diodi ”) e che emettono luce di un colore a loro specifico. I LED sono strutturati in una matrice, avente come elemento base il “pixel”. Esso ha dimensioni dell’ordine del decimo di mm ed è costituito da tre LED che emettono luce rossa, verde e blu.

L’occhio umano ha una risoluzione spaziale insufficiente per distinguere i pixels e a maggior ragione i LED al loro interno. Esso vede un’immagine continua a colori sintetizzati corrispondentemente al miscuglio di colori base, dosato secondo le ampiezze di eccitazione dei LED. E’ come andare da un ultrarapido negoziante elettronico di vernici, che continua ininterrottamente a fornirvi un piccolo insieme di pixels contigui invece di un barattolo.

In realtà il problema della corretta e gradevole riproduzione del colore è complesso e di grande importanza per l’industria della visione. La scelta di rosso, verde e blu (detta scelta RGB, dall’inglese red, green e blue) non è la sola scelta possibile. Gli schermi di produttori diverse sono basate su colori base scelti in modo da ottimizzare la qualità della visione cromatica.


Il cerchio si chiuderà

Siamo partiti dalla Scienza con la rifrazione, il prisma ottico e l’arcobaleno e siamo giunti a un concetto oggettivo del colore in Fisica. Abbiamo esposto la teoria tricromatica del colore e visto come la sintesi cromatica effettuata dal cervello implica una percezione soggettiva del colore. Stimolata dalla Scienza, abbiamo visto nascere nell’Arte la passione per il colore puro fino a liberare le forme-colore di Matisse, in una composizione libera dal “dover” rappresentare qualcosa. Infine, abbiamo visto come tutto questo vive con noi nella odierna Tecnologia della visione. Nell’articolo congiunto Viaggio nei colori: quarks e gluoni, con i quarks riportiamo alla Fisica la passione per il colore. Alle forme-colore di Matisse corrispondono “quarks-colore”, diciamo così. A essi però non è concesso disporsi in una libera composizione. Il mandato di costruire la materia toglie ai quarks-colore la libertà di un deconfinamento.

Collaborazione

Sono grato a Gustavo Avitabile, Clara Guadagni, Crisostomo Sciacca e Francesco Tramontano per interessanti suggerimenti.

Paolo Strolin

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Professore Emerito di Fisica Sperimentale
Università di Napoli "Federico II"
Complesso Univ. Monte S. Angelo
Via Cintia - 80126 Napoli - Italy
Ultima modifica: 09/02/2017 14:55 da Paolo.

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