Farge

Fargenes fysikk

Elektromagnetisk stråling er en blanding av stråling med forskjellige bølgelengder og intensiteter. Når denne strålingen har en bølgelengde innenfor det området som er synlig for mennesker (omtrentlig fra 380 nm til 740 nm) kalles det lys. Lysets spektrum beskriver energien/intensiteten ved enhver bølgelengde. Hele spekteret av innkommende stråling på øyet fra et objekt er med på å bestemme hvordan vi ser objektet, inkludert dets farge. Som vi skal se, er det mange fler mulige spektre enn fargeoplevelser; faktisk kan man definere en farge til å være hele den mengden av spektre som gir den samme fargeopplevelsen, selv om denne definisjonen vil være begrenset til mennesker, og til og med ha individuelle variasjoner.
En overflate som reflekterer alle bølgelengder like mye, oppleves som hvit, mens en mørk svart overflate absorberer alle bølgelengder. De velkjente regnbuens farger inneholder alle de fargene som finnes i synlig lys og som kun har én enkelt bølgelengde, også kalt de rene spektrale eller monokromatiske fargene.
Frekvensene er tilnærmede og oppgitt i terahertz /THz). Bølgelengdene er gyldige i vakuum og er oppgitt i nanometer (nm). Fargetabellene må ikke sees på som en fullstendig liste – de rene spektrale fargene utgjør et kontinuerlig spektrum, og hvordan de inndeles i separate farger avhenger av smak og kultur; f.eks. identifiserte Newton de syv distinkte fargene rød, oransje, gul, grønn, blå, indigo og fiolett.
Videre er det slik at intensiteten av en spektral farge kan forandre dens tilsynekomst betraktelig. For eksempel oppleves gul-oransje lys med lav intensitet som brunt, og lavintensivt gul-grønt blir olivengrønt.

Fargesyn

Selv om fargens eksakte status er et tema som stadig fører til filosofiske debatter, er farge vanligvis ansett som et psykologisk fenomen som kun finnes i vår bevissthet. Et «rødt» eple sender ikke ut «rødt» lys, og det er villedende å si at gjenstander har en objektiv farge. Det er heller slik at et eple absorberer lys av forskjellige bølgelengder som treffer det fra forskjellige retninger i ulik grad, noe som igjen gjør at vi opplever det som rødt. Eplet oppleves altså som rødt kun fordi mennesker opplever lys med forskjellige bølgelengder forskjellig, og fordi vi har et språk til å beskrive disse forskjellene.
I 1931 utviklet en ekspertgruppe kalt «Commission Internationale d'Eclairage» (CIE) en matematisk fargemodell. Premissene brukt av CIE var at farge er en kombinasjon av tre ting: en lyskilde, et objekt og en observatør. CIE kontrollerte hver av disse variablene nøye i et eksperiment som gav data om menneskets fargesyn. Selv om Aristoteles og andre vitenskapsmenn tidlig spekulerte rundt lysets og fargesynets natur, var det først med Newton at lys ble identifisert som kilden til en fargeopplevelse. Goethe studerte teorien om farger, og i 1801 foreslo Thomas Young trikromatisitetsteorien som senere ble forbedret av Hermann von Helmholtz. Teorien ble bekreftet i 1960-årene og er beskrevet under.
 
Retina i det menneskelige øye har tre forskjellige typer fargereseptorer kalt tapper. Den ene typen er relativt forskjellig fra de to andre og er mest følsom for lys vi opplever som fiolett med bølgelengder rundt 420 nm. Disse kalles ofte S-tapper. De to andre typene tapper er relativt like og mest følsome for lys vi opplever som grønt eller grønnaktig. Disse refereres til som L-tapper, som er mest følsome for lys rundt 564 nm, og M-tapper, som er mest følsomme rundt 534 nm.
Følsomhetskurvene for tappene er noenlunde klokkeformede, og overlapper betydelig. Det inkomne signalspekteret blir dermed i øyet redusert til tre verdier gitt av responsen til de tre typene tapper, ofte kalt tristimulusverdier. Fordi det er en overlapp mellom de forskjellige sensitivitetsområdene for de tre typene tapper, er det umulig å stimulere kun én av tappene. For eksempel er det umulig å kun stimulere M-tappene uten å stimulere både S- og L-tappene også. Mengden av alle mulige kombinasjoner av tristimulusverdier er dermed begrenset, og definerer det menneskelige fargerom. Man har estimert at mennesker klarer å skjelne omtrent 10 millioner forskjellige farger fra hverandre, selv om gjenkjennelsen av en enkelt farge er høyst subjektiv.

Strukturfarge

Strukturfarger kommer fra interferens, og skyldes ikke refleksjon fra pigmenter. Dette fenomenet kalles også irisering, og oppstår der det finnes smale parallelle linjer, tynne lag av et materiale, eller andre mikrostrukturer i samme størrelsesorden som bølgelengden til lys. Hvis mikrostrukturene er vilkårlig fordelt, oppstår lys med kort bølgelengde. Dette forårsaker blåfargen til himmelen, og fargen på regnbuehinnen hos blåøyde mennesker. Dersom mikrostrukturene er ordnet i rekker og kolonner, kan de virke som et diffraksjonsgitter. Slik oppstår regnbuefargene som en kan se på baksiden av en CD.
Et velkjent eksempel på strukturfarge som oppstår i et tynt lag, er de mange fargene en kan se når olje søles på en vanndam. Olje er lettere enn vann, og flyter utover i et tynt lag på vannet. Dette laget er ofte ikke tykkere enn et oljemolekyl. En del av lyset som kommer inn ovenfra, vil reflekteres i overgangen mellom olje og vann. På veg oppover treffer det reflekterte lyset innkommende lys, som det interferer med, og mange ulike farger oppstår.
Blå og grønne farger hos dyr er som regel strukturfarger. Slike farger finnes på fuglefjær, og på vingene til insekter, som biller og sommerfugler. Skjellkrypdyr har mikrostrukturer i skjellene som skaper disse fargene.