Kolorowe kredki…

Zanim zabierzemy się za dokładny opis oddziaływań silnych, trzeba porozmawiać sobie trochę o… kolorach. Mówię serio, najpierw zabierzemy się za dyskusję o świetle i różnych kolorach tego światła. Dopiero wtedy gadanie o oddziaływaniu silnym, które – przypominam – przede wszystkim wiąże ze sobą kwarki w większe zespoły, będzie miało sens.

Skoro obiecałem, to do dzieła. Światło to właściwie strumień fotonów o określonej długości fali BLABLABLA… Nie powiedzieliśmy jeszcze nic o fotonach, dlatego ten fragment rozwinę nieco później. Porozmawiamy o kolorach w mało ścisły sposób. Zdobyta tu wiedza nie przyda Ci się na sprawdzianie z optyki, ale pozwoli zrozumieć naturę oddziaływania silnego i… ułatwi naukę optyki.

Na wstępie obejrzyjmy sobie krótki filmik, który znalazłem na YouTube. To, co widzimy, przedyskutujemy za chwilę. Filmik jest naprawdę krótki, obejrzyj go nawet kilka razy przed przystąpieniem do dalszej lektury.

Niezły efekt, prawda? Musimy wiedzieć, co właśnie zobaczyliśmy i dlaczego to tak wygląda. Czas otworzyć mózgownicę na nową porcję wiedzy.

Białe światło (np. to, które dociera do Ziemi ze Słońca) to w rzeczywistości mieszanka różnego rodzaju kolorów. Dlatego, gdy drzewo rzuca cień w trakcie słonecznego dnia, nie obserwujemy takiego kolorowego misz-maszu jak na filmie. A szkoda. Zastosowane w filmie lampy działają jednak inaczej niż te tradycyjne. Tradycyjne działają podobnie do słońca. Na czym polega więc wyjątkowość lamp z filmiku?

Można powiedzieć, że za dany kolor odpowiedzialne są fotony jednego rodzaju. To znaczy, że jeżeli jeden foton jest interpretowany przez Twoje oko jako światło czerwone, to – powiedzmy sobie – za światło czerwone odpowiadają fotony takiego samego rodzaju. Innego rodzaju fotony będą więc interpretowane przez nasze oczy jako światło niebieskie, jeszcze inne – zielone.

Rodzajów fotonów jest właściwie nieskończenie wiele. Tylko niewielka część z nich jest przez nasze oczy interpretowana jako światło widzialne (o jakimś kolorze). Nie oznacza to jednak, że potrafimy rozróżnić mało kolorów. Sam najlepiej wiesz, jak to z Tobą jest. Każdy z nas rozróżni inną liczbę kolorów. Mówi się, że kobiety są w tym lepsze. Zależy to jednak od mnóstwa czynników, łącznie z oświetleniem dookoła, naszym samopoczuciem i nastrojem…

Wspomniałem: białe światło (np. słoneczne) to mieszanka różnego rodzaju kolorów. Okazuje się, że nie musimy mieszać kolorów (światła) nie wiadomo ilu, żeby białe światło uzyskać. Wystarczą trzy tzw. barwy podstawowe. Domyślasz się jakie? Czerwona, zielona i niebieska (RGB). Do uzyskania białego światła wystarczą więc trzy rodzaje fotonów. Będę je oznaczał symbolami $\gamma_R,\ \gamma_G,\ \gamma_B$. Symbol $\gamma$ (grecka gamma) to często spotykane w nauce oznaczenie fotonu.

Co mam na myśli mówiąc o rodzaju fotonu? Foton to cząstka, która może być traktowana jako fala elektromagnetyczna! Rodzaj fotonu można opisać na różne sposoby. Na przykład podając:

  • długość fali fotonu ($\lambda$)
  • częstotliwość fali ($\nu$)
  • energię niesioną przez pojedynczy foton ($E$)

Przy czym wielkości te związane są wzorami: $E=h\nu=\frac{hc}{\lambda}$. Stała $h$ to tzw. stała Plancka, natomiast $c$ to prędkość światła w próżni. Skoro wszystkie te wielkości wiąże się podanymi równaniami, to wystarczy podanie jednej z nich, aby jednoznacznie opisać, jakiego rodzaju jest omawiany foton. Ja oprę swój opis o długość fali ($\lambda$).

Fotony mogą teoretycznie przyjmować każdą długość fali. Od nieskończenie wielkich, do nieskończenie krótkich (bliskich zera). Wspomniałem już, że tylko część rodzajów fotonów odbierana jest przez człowieka jako światło widzialne, oznaczane w nauce skrótem VIS. Okazuje się, że fotony reprezentujące światło widzialne dla człowieka mają długości fali od 380 nm do 780 nm (około). Przypominam, że jeden nanometr (nm) to jedna miliardowa część metra. Mało, prawda?

Każda długość fali reprezentuje inny kolor. To, jaka długość fali odpowiada jakiej barwie, ilustruje tzw. widmo światła białego, przedstawione poniżej. Grafika pochodzi ze strony Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu.

VIS

Wracając do istoty problemu kolorków. Spójrzmy na kadr z filmu, w miejsce oznaczone strzałką. Nie oszukiwałem – wymieszane ze sobą fotony $\gamma_R,\ \gamma_G,\ \gamma_B$ dają razem światło białe – wygląda to tak, jakbyśmy kulkę oświetlili białym światłem. Tu jednak jest inaczej, niż widzimy to na co dzień. Mamy trzy źródła różnego koloru światła, a nasza kulka rzuca aż trzy cienie. Mało tego, każdy z tych cieni jest w innym kolorze! Zapamiętaj jednak stąd ten najważniejszy fakt: zmieszanie $\gamma_R,\ \gamma_G,\ \gamma_B$ daje w efekcie światło białe.

kolorkadrall

Spójrzmy teraz na cień pierwszy od góry. Jest to cień rzucany przez kulkę w wyniku padania na nią światła zielonego (na dole po lewej). W obszar tego cienia nie dociera zatem światło zielone, docierają natomiast światła niebieskie i czerwone. Zauważmy więc następującą rzecz: światło czerwone i niebieskie, wymieszane razem, dają nową barwę. Nazywamy ją magenta. Zauważmy też kolejną rzecz: jeżeli barwę magenta wymieszać z zieloną, uzyskamy… światło białe! Z tego powodu kolor magenta można też nazwać antyzielonym – brakuje tylko zielonego światła, by odtworzyć światło białe.

Nie trzeba być geniuszem, żeby dojść do wniosku, że dla pozostałych zestawów dwóch barw podstawowych będzie podobnie. Wymieszanie czerwonej z zieloną da nam barwę żółtą lub też – inaczej – antyniebieską. Z kolei wymieszanie barwy zielonej z niebieską da nam w efekcie barwę o nazwie cyan. Innymi słowy: antyczerwoną. Podsumujmy sobie te informacje.

czerwony + zielony + niebieskibiały

czerwony + zielony (bez niebieskiego) → antyniebieski = żółty

czerwony + niebieski (bez zielonego) → antyzielony = magenta

zielony + niebieski (bez czerwonego) → antyczerwony = cyan

Wszystkie te relacje ładnie obrazuje paleta barw, którą w pewnym sensie otrzymano na załączonym filmie wideo. Ładnie pokazuje ona rezultat mieszania ze sobą świateł o różnych barwach.

mieszbarw

Otrzymane antykolory: cyan, magenta i yellow (żółty) często oznacza się angielskim skrótem CMY. Zwróćmy jeszcze uwagę na jedną bardzo ważną rzecz. Na pewno w przedszkolu i podstawówce malowałeś farbami plakatowymi. Zabawy co nie miara. Ale zaraz… Kiedy mieszałeś ze sobą kolor niebieski i żółty wychodził… Zielony! A przecież w doświadczeniu powyżej wyszłoby z tego światło białe! O co chodzi i czy Cię znowu oszukano?

Całe szczęście nie. Wszystko gra. Okazuje się, że barwy można dodawać do siebie na dwa sposoby. Pierwszy z nich to tzw. synteza addytywna. Synteza addytywna ma miejsce między innymi w analizowanym doświadczeniu. Ogólnie dotyczy mieszania ze sobą różnokolorowych wiązek światła. Co ciekawe, monitor Twojego komputera jest zapewne zbudowany w taki sposób (upraszczając!), że każdemu pikselowi odpowiadają w rzeczywistości trzy różne lampki: czerwona, zielona oraz niebieska. Znowu?! Tak, znowu! Gdy monitor emituje białe światło, włączone są wszystkie rodzaje lampek. Patrząc jednak w żółty ekran widzisz kolor antyniebieski… To znaczy, że pracują wyłącznie lampki zielone oraz czerwone.

Dobrze, ale co z tymi farbami? Okazuje się, że barwy mieszają się też na drugi sposób. Jest to tak zwana synteza substraktywna. Jest to odejmowanie od siebie fotonów różnych rodzajów w trakcie mieszania barw. Zachodzi wtedy, gdy barwa jest efektem nie bezpośrednio emisji fotonów danego rodzaju (jak powyżej), ale gdy obserwowany kolor to efekt pochłaniania innych barw przez obserwowaną powierzchnię. Weźmy pojemniczek z farbą. Farba pochłania fotony pewnych rodzajów, ale innych rodzajów odbija. Kolor farby, który obserwujemy, odpowiada rodzajowi odbitych fotonów.

Skoro za kolor odpowiada nie emisja, a „niepochłonięcie” (odbicie) fotonów danego rodzaju, dość logiczne jest to, że tak różnie uzyskiwane barwy będą mieszać się zgodnie z innymi zasadami. Ale nie o tym dzisiaj.

Możesz też zapytać: po jasną cholerę ten buc rozpisuje się o kolorach, skoro interesuje mnie oddziaływanie silnie?! Pamiętasz mój artykuł o kwarkach? Kwarki mają kolory! Co więcej, kolory kwarków dodają się do siebie tak samo jak barwy światła w opisywanym tu przeze mnie doświadczeniu. Zgodnie z syntezą addytywną. Bez ogarnięcia tego tematu zagłębianie się w oddziaływania silne nie ma większego sensu.