M.C. Bertocco – Teorie del colore

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Maria Cristina Bertocco – IV A – 2014/15

LE PRIME TEORIE DEL COLORE

Possiamo far partire questa storia dagli inizi del ‘400, quando l’arte europea conobbe un nuovo impulso col Rinascimento. I primi studi sulla prospettiva di Piero della Francesca, la pittura scientifica di Leonardo e le altri correnti innovative dell’epoca contribuirono in modo notevole alla nascita di una nuova maniera di osservare la natura.
A differenza degli affreschi e delle opere medievali, le opere rinascimentali cercavano di replicare la realtà in modo verosimile, si cercavano nuove tecniche per ingannare l’occhio e per riprodurre la tridimensionalità del reale con i pochi colori della tavolozza. La crescita artistica, combinata con lo sviluppo scientifico scaturito dalla rivoluzione Copernicana, portò ad un’epoca di grandi sconvolgimenti culturali. Ci si iniziava a porre domande anche su fenomeni considerati fino ad allora ovvi, cominciando a comprendere che molte cose non erano affatto scontate come sembravano.
Il primo ad occuparsi scientificamente (nell’accezione dell’epoca della parola) dei colori, fu il gesuita francese Franciscus Aguilonius, nel suo trattato di ottica dal titolo “Opticorum libri sex” (I sei libri dell’ottica). La teoria di Aguilonius, che oggi potrebbe forse apparire banale, fu un primo tentativo di schematizzare qualcosa che, fino ad allora, era relegato al mondo delle impressioni soggettive: i colori. Per Aguilonius, la scala cromatica era formata da cinque colori semplici (bianco, giallo, rosso, celeste e nero), e da tre colori composti (arancione, verde, porpora). Il giallo era il colore più vicino al bianco, in quanto il più luminoso, ed analogamente l’azzurro era il più vicino al nero. L’arancio, il verde ed il porpora erano invece colori composti, formati da mescolanze di due colori semplici.
Lo schema cromatico di Aguilonius fu applicato dal pittore Paul Rubens ed ispirò molto tempo dopo (come vedremo nella prossima puntata) il celebre scrittore J. W. Goethe, che ne trasse le basi per la sua teoria del colore.
Nel ‘500, gli esperimenti di ottica di Ioannes Keplero e di Galileo Galilei produssero i primi studi sul funzionamento delle lenti e dell’occhio, che si scoprì funzionare secondo lo stesso principio della camera oscura: l’immagine del campo visivo, messa a fuoco dal cristallino, si proiettava capovolta sulla retina.
Fu il filosofo francese Descartes (Cartesio), ai primi del ‘600, ad ipotizzare una spiegazione al motivo per cui, nonostante ciò, percepiamo la realtà diritta e non capovolta. Egli fornì un modello approssimativo, nel quale il nervo oculare era collegato direttamente alla retina e dove è il sistema nervoso centrale che reagisce agli stimoli esterni percepiti, costruendo l’immagine della realtà così come la vediamo comunemente.
La teoria sui sensi di Descartes fu alla base della teoria percettiva di Young, che agli inizi dell’800 avrebbe rivoluzionato la scienza dei colori.

NEWTON VS GOETHE
L’OTTICA DI NEWTON

Un nuovo approccio alla questione si ebbe nel 1704, quando con la pubblicazione del trattato “Optiks”, Isaac Newton presentò la sua teoria sulla luce e sui colori, descrivendo i principi che ancora oggi sono considerati alla base dell’ottica.
Fino ad allora si credeva che la luce fosse solo ed esclusivamente bianca, e che l’apparizione dei colori, quando essa colpiva certi oggetti, fosse una specie di processo di contaminazione che le cose terrene innescavano nella luce stessa.
Il sole, incarnazione del divino, poteva solo emettere una luce bianca, pura.
Col famoso esperimento del prisma, Newton dimostrò che la luce bianca era composta: poteva essere suddivisa nei diversi colori, e a partire da quelli, ricomposta.
Newton giunse così alla conclusione che la luce bianca era una miscela di luci colorate, e che gli stessi colori degli oggetti che ci circondano erano legati al modo di reagire delle diverse superfici alla luce.
Pur riconoscendo i dovuti meriti, tuttavia, la teoria di Newton, non copriva molti aspetti della realtà, quali i cosiddetti colori non spettrali (ovvero che non appartengono allo spettro della luce: il viola e i suoi derivati), il cambiare dei colori al variare della luminosità, il contrasto simultaneo, la costanza percettiva, le ombre colorate, le immagini persistenti colorate, e tutta una serie di effetti ottici all’epoca (e pure su questa rubrica) non ancora scientificamente esaminati.

LA TEORIA DEI COLORI DI GOETHE

[Johann Wolfgang von Goethe (Francoforte sul Meno, 28 agosto 1749 – Weimar, 22 marzo 1832) è stato uno scrittore, poeta e drammaturgo tedesco. La sua attività fu rivolta alla poetica, al dramma, alla letteratura, alla teologia, alla filosofia, all’umanismo e alle scienze. ]

Tra la fine del ‘700 e gli inizi dell’800, fu il noto scrittore (e seppur meno noto, anche pittore) Johann Wolfgang von Goethe ad attaccare duramente l’ipotesi di Newton, nel suo saggio “Zur Farbenlehre” (Della teoria dei colori), dove mise in risalto la complessità del fenomeno cromatico, e l’ingerenza non trascurabile che in esso ha l’organo della vista.
Per Goethe, poeta e romantico, era inconcepibilmente riduttivo trattare in modo esclusivamente fisico qualcosa di vivo e di umano come i colori.
Egli sosteneva, evidenziando proprio alcuni dei punti non coperti dalla teoria di Newton, che una visione così meccanicistica della realtà non era sufficiente, e che bisognava cercarne una spiegazione nella fisiologia, nella psicologia, e nella spiritualità stessa dell’animo dell’osservatore.
Come in precedenza Descartes, egli ritenne che fosse l’occhio stesso il generatore dei colori, che senza di esso non sarebbero di fatto esistiti.
Se l’occhio, infatti, non avrebbe avuto ragione di esistere senza la luce, i colori erano ben più delle singole azioni della luce sugli oggetti.
Partendo da tale presupposto espose una dettagliatissima teoria, nella quale, rifacendosi al modello del suo contemporaneo Runge (che vedremo in una successiva puntata dedicata ai modelli cromatici), assunse innanzitutto anche il bianco e il nero al ruolo di colori, facendosi in tal modo carico anche del rapporto con luce e ombra.
Goethe si occupò anche dei fenomeni delle influenze reciproche dei colori, e delle ombre colorate. Evidenziò come uno stesso identico colore veniva percepito in modo diverso a seconda dello sfondo sul quale era posto (torneremo su questo punto più avanti, quando parleremo di contrasto simultaneo e contrasto successivo), e si rese conto anche di come l’occhio tendesse a vedere le ombre di un oggetto sul quale venisse proiettata una luce fortemente colorata, di una vaga sfumatura di un altro colore.
Utilizzando tutti questi argomenti come prova dell’impossibilità di una spiegazione esclusivamente passiva del colore, egli ritenne di aver confutato definitivamente la teoria di Newton.
Nonostante i suoi sforzi, tuttavia, la sua teoria rimase confinata nel limbo delle pseudoscienze, ma ebbe l’importante merito di mettere in risalto tutta una serie di anomalie e incongruenze, che le successive teorie percettive del colore avrebbero cercato di spiegare.

L’ombra gettata dal sole su una superficie bianca, finché il sole agisce in tutta la sua energia, non ci dà alcuna sensazione di colore. Essa appare nera o, se si riesce ad avere una controluce, più debole, semi-illuminata, grigia.
64 Le ombre colorate presuppongono due condizioni, in primo luogo che la luce agente colori in qualche modo la superficie bianca, in secondo luogo che l’ombra venga illuminata in un certo grado da una controluce.
65 Al crepuscolo si metta su un foglio di carta bianca una candela corta accesa; si collochi poi tra di essa e la luce del giorno calante una matita in piedi in modo che l’ombra gettata dalla candela possa venire illuminata dalla debole luce del giorno, ma non cancellata. In tal caso l’ombra apparirà del più bell’azzurro.
66 Ci si accorge subito che quest’ombra è azzurra, ma è solo con l’attenta osservazione che ci si convince che la carta bianca agisce come una superficie giallo-rossastra, il cui riflesso richiama all’occhio quel colore azzurro…
68 Si prendano all’imbrunire due candele accese e le si collochino l’una di fronte all’altra su una superficie bianca, tenendo in piedi tra di esse un’asticella in modo da avere due ombre. Si prenda poi un vetro colorato e lo si tenga di fronte a una delle due fonti luminose in modo che la superficie bianca appaia colorata e in quello stesso istante l’ombra colorata gettata dalla fonte luminosa che ora dà sfumature di colore, e illuminata dalla fonte luminosa incolore, presenterà il colore richiesto.
69 Si fa qui strada un’osservazione importante sulla quale ritorneremo ancora spesso. Il colore è di per sé un elemento d’ombra. Per cui Kircher ha pienamente ragione a definirlo lumen opacum e siccome è affine all’ombra, le si unisce quindi volentieri: non appena se ne presenti l’occasione ama manifestarcisi in essa e per mezzo di essa. Così a proposito delle ombre colorate dobbiamo menzionare un fenomeno la cui derivazione e il cui sviluppo potranno venire intrapresi solo in seguito.
70 Si scelga, al crepuscolo, il momento in cui la luce celeste calante è ancora in grado di proiettare un’ombra che non possa venire del tutto cancellata dalla luce della candela. Questo perché sia più facile avere un’ombra doppia: una proiettata dalla luce della candela contro la luce celeste e un’altra proiettata dalla luce celeste contro la luce della candela. Se la prima è azzurra, l’altra apparirà di un color giallo intenso. Questo giallo intenso, però, è effettivamente solo il luccichio giallo-rossastro, diffuso dalla luce della candela su tutto il foglio di carta, che diviene visibile all’ombra…
da La teoria dei colori di J. W. Goethe

LA TEORIA PERCETTIVA DI YOUNG–HELMHOLTZ
LA TEORIA TRICOMATICA DI YOUNG

Ai primi dell’800, il medico inglese Thomas Young, partendo dall’idea di Descartes della costruzione dell’immagine all’interno dell’occhio, si rese conto dell’inutilità e dell’impossibilità pratica dell’esistenza di infiniti fotorecettori.
Era infatti quasi impossibile, proprio per l’esiguità della superficie della retina, che in ogni punto potessero esistere tante particelle diverse quanti i colori discriminati dall’occhio.
Teorizzò quindi l’esistenza di tre soli tipi di recettori, associati ai tre colori primari pittorici: giallo, magenta, e ciano.
Se i pittori riuscivano, infatti, a partire da una tavolozza molto limitata ricreando quasi ogni colore, anche l’occhio avrebbe potuto fare altrettanto: esattamente come nelle mescolanze di colori dei pittori, i tre tipi di fotorecettori, ognuno sensibile ad un colore primario, rilevavano tre diversi stimoli (da cui il nome di modello tristimolo), che il cervello poi univa generando il colore.
Young fu anche il primo a fornire un’interpretazione corretta del disturbo conosciuto come Daltonismo, e cioè che mancava uno dei tre tipi di fotorecettori per il colore.

GLI SVILUPPI DI HELMHOLTZ

Verso la metà dell’800, il fisico tedesco Hermann von Helmholtz riprese ed approfondì la teoria di Young, che prese il nome combinato dei due scienziati.
Helmholtz espresse ciò che Young aveva definito genericamente come “colori” in funzione delle lunghezze d’onda della luce riflessa: ognuno dei tre tipi di coni retinici era sensibile solo ad una certa fascia di lunghezze d’onda ed assorbiva solo la componente della luce che in quella fascia era compresa.
In tal modo, una luce con lunghezza d’onda sui 450nm (blu) avrebbe stimolato i coni retinici di tipo S (short) sensibili a quelle lunghezze d’onda, e non quelli di tipo M (medium) o L (long), generando così la sensazione del blu.
Helmholtz introdusse anche le differenze tra luci e pigmenti, e tra sintesi additiva e sintesi sottrattiva (concetti che approfondiremo più avanti), evidenziando come il comportamento dell’occhio non era in realtà uguale al modo in cui si mescolavano i colori dei pittori: i colori primari che Young aveva ipotizzato, non erano quelli della tavolozza, ma il rosso, il verde e il blu, primari della sintesi additiva.
Se si era arrivati ad una spiegazione semplice ed elegante della visione, che conciliava la fisica di Newton con la filosofia dell’immagine costruita nell’occhio di Goethe, restavano tuttavia molti aspetti ancora inspiegati.

I COLORI NON SPETTRALI

Il mistero del viola (da non confondere col violetto, esso si appartenente allo spettro visibile), ad esempio, era ancora da chiarire. Come poteva l’occhio vedere un colore non esistente tra i colori spettrali?
La spiegazione più ovvia, alla luce della nuova teoria, era che il cervello, ricevendo contemporaneamente uno stimolo sui soli due recettori del blu e del rosso (ovvero una luce blu, con lunghezza d’onda sui 430 nm, e una rossa, 650 nm), non riuscisse a trovare nessuna lunghezza d’onda dominante tra quelle appartenenti allo spettro, e interpretasse la combinazione generando un nuovo colore, il viola.
Variando poi le proporzioni dei due colori estremi dello spettro visibile, il rosso e il violetto, si otteneva tutta una gamma di colori non spettrali, dettiporpore, tra cui anche il magenta.
Se l’idea appariva funzionale ed elegante, tuttavia, mancava ancora qualsiasi riscontro effettivo che ne confermasse la validità.

I FENOMENI ANCORA INSPIEGATI

Anche il problema esposto dettagliatamente dal chimico francese Michel-Eugene Chevreul, non aveva ancora avuto risposta.
Chevreul, studiando le combinazioni di colori sui capi di abbigliamento prodotti dall’azienda per la quale lavorava, osservò, come Goethe in precedenza, che due colori adiacenti vengono percepiti dall’occhio in maniera diversa da come sono realmente, influenzandosi a vicenda.
In particolare, ognuno tendeva a tingere l’altro del proprio colore complementare. Un giallo ad esempio, tendeva a colorare leggermente di blu i colori adiacenti, e se accostato ad un verde, tendeva a tingersi leggermente di magenta.
Chevreul definì questo fenomeno come contrasto simultaneo.

Analogamente, Chevreul osservò che se l’occhio fissa per un certo tempo (almeno 15-20 secondi) un’immagine fortemente colorata, guardando successivamente su uno sfondo bianco si ha l’impressione di continuare a vedere la stessa immagine, del colore complementare a quello reale. Questo fenomeno di contrasto successivo per Chevreul, seguiva le stesse leggi del contrasto simultaneo.
Ma erano fenomeni puramente percettivi, o una reale interazione fisica tra le luci riflesse dai colori?
Restava poi da spiegare il fenomeno della costanza percettiva.
Lo stesso Helmholtz, infatti, era ben consapevole che i colori degli oggetti si mantengono costanti anche nonostante notevoli differenze di lunghezza d’onda della luce incidente. Costanti al punto che possiamo sempre classificarli e sapere cosa stiamo guardando.
Chiunque, infatti, è in grado di distinguere un verde da un rosso, anche in condizioni di scarsa illuminazione, o passando dalla luce solare alla luce artificiale di una lampadina, dove le lunghezze d’onda dei raggi riflessi dall’oggetto che stiamo guardando, cambiano considerevolmente.
L’occhio, sembrava quindi costruire un mondo percettivo stabile, a partire da un flusso sensoriale caotico, che cambiava in continuazione, e ciò non si poteva spiegare con una semplice corrispondenza diretta tra il segnale tristimolo dei fotorecettori e il cervello.
Doveva esserci una ulteriore fase di elaborazione intermedia.
Solo nella seconda metà del ‘900 però, si sarebbe giunti a comprendere appieno i meccanismi della percezione visiva.

I RETINEX
GLI ESPERIMENTI DI MAXWELL

Nel 1861, il grande fisico James Clerck Maxwell, dopo aver posto le basi della colorimetria col suo cerchio rotante e col triangolo dei primari (che come vedremo nell’ultima puntata, ha influenzato lo sviluppo dell’attuale diagramma CIE), effettuò una dimostrazione che avrebbe ispirato, al contempo, le successive teorie del colore e le prime tecniche della fotografia a colori.
Maxwell ottenne tre “immagini di separazione del colore”, come egli stesso le chiamava, fotografando tre volte in bianco e nero una stessa immagine, attraverso tre filtri colorati diversi, rosso verde e blu.
Quindi, proiettando su uno schermo le tre immagini sovrapposte, ognuna con la luce del rispettivo filtro utilizzato (l’immagine ottenuta col filtro rosso, veniva cioè attraversata da luce rossa, e così via) riuscì a ricomporre l’immagine a colori originale.

LE TEORIE DI LAND

Nel 1957, circa novant’anni dopo tale esperimento, lo scienziato americano Edwin Land (inventore tra l’altro, della fotografia Polaroid) diede una dimostrazione analoga, ma ancora più impressionante.
Servendosi di due soli filtri, uno rosso (che faceva passare solo la luce di elevata lunghezza d’onda, corrispondente come abbiamo visto ai coni retinici L, long) e uno verde (piccole lunghezze d’onda, coni S), ottenne due diapositive in bianco e nero dello stesso soggetto.
Le due diapositive differivano esclusivamente per una maggiore brillantezza od oscurità dei punti corrispondenti, ma non erano colorate.
Ricompose quindi l’immagine proiettando una luce rossa attraverso la diapositiva ottenuta col filtro rosso, e una normale luce bianca, non filtrata, attraverso la diapositiva ottenuta col filtro verde (vedi immagine sopra).
Con grande sorpresa, sullo schermo non apparve, come ci si poteva aspettare, un’immagine color rosa pallido, ma un’immagine a colori simile all’originale.
Era una delle famose “illusioni cromatiche” tanto ricercate da Goethe, che non si poteva spiegare con la fisica di Newton né con l’attuale teoria di Young-Helmholtz.
Era la prova materiale che i colori, non solo vengono creati dal cervello, ma non sono nemmeno una funzione diretta delle diverse lunghezze d’onda della luce riflessa. Non ci si spiegava infatti, come in assenza dei segnali tristimolo corrispondenti alle diverse lunghezze d’onda, il cervello potesse comunque vedere i colori.
Land costruì quindi un modello teorico basato non più sulla sola sintesi additiva dei tre colori primari, ma su un confronto continuo di ogni parte del campo visivo con le aree circostanti.
La teoria dei retinex di Land complicava notevolmente l’elegante modello di Young-Helmoltz, ma riusciva a spiegare molti degli aspetti che quest’ultimo non copriva, quali la costanza percettiva, le illusioni cromatiche, e il contrasto simultaneo. Essa inoltre era perfettamente compatibile col modello tristimolo, e accettava l’idea della sintesi sottrattiva, pur trasferendola dai fotorecettori all’area del cervello che si occupava del secondo confronto.
Col suo modello, Land aveva trasferito l’onere della generazione dell’immagine dall’occhio al cervello, e dovette faticare non poco per evitare di indicare esplicitamente l’area che si occupava di tale compito.
All’epoca tuttavia, la medicina e la tecnologia non erano sufficientemente evolute per indagini così dettagliate sulle funzioni cerebrali, e si dovette aspettare ancora diversi anni, prima di avere un riscontro fisiologico concreto.
Edwin Herbert Land (Bridgeport, 7 maggio 1909 – Cambridge, 1º marzo 1991) è stato un inventore e imprenditore statunitense, scopritore dei filtri polarizzanti e fondatore dellaPolaroid.

LA CORTECCIA VISIVA

Eravamo rimasti alla teoria dei Retinex di Land, che descriveva il colore come un artificio generato dalla mente, in funzione non solo della lunghezza d’onda della luce che colpiva l’occhio, ma anche della luminosità.
Mancava però ancora un riscontro fisiologico di questa teoria, non si sapeva ancora abbastanza del funzionamento del cervello per poterla confermare o confutare.

GLI ESPERIMENTI DI ZEKI

Negli anni Sessanta, alcuni esperimenti effettuati inserendo microelettrodi nella corteccia visiva primaria di scimmie anestetizzate, dimostrarono l’esistenza di aree del cervello (chiamate V1) le cui cellule rispondevano specificatamente alla lunghezza d’onda della luce che colpiva i coni retinici, ma non al colore.
Nel 1973, Semir Zeki, a Londra, ampliando il campo degli esperimenti, riuscì ad individuare una piccola area in ogni emisfero cerebrale, che sembrava specializzata nella risposta al colore.
Queste cellule della cosiddetta area V4, che egli definiva “centri di codifica del colore“, rispondevano al colore ma non alla lunghezza d’onda, e ricevevano impulsi dalle cellule dell’area V1, tramite una struttura intermedia chiamata V2.
Ogni cellula della V4, quindi, sembrava ricevere informazioni su una porzione del campo visivo, pre-elaborate dalla V1.
Era il riscontro pratico tanto atteso da Land: le registrazioni della luminosità relative ad ogni banda di lunghezze d’onda venivano estratte dalle cellule dell’area V1, sensibili alle lunghezze d’onda, e venivano in seguito confrontate e messe in correlazione tra loro nell’area V4, dalle cellule codificatrici del colore, che davano luogo alla percezione cromatica.
Negli anni successivi, altri studi del settore (condotti da Walter Bishop, lol :D) dimostrarono perfino la possibilità di generare sperimentalmente il colore mediante una stimolazione magnetica dell’area V4, provocando la visione di anelli e aloni colorati. Una specie di trip da LSD, ma mantenendo intatta la coscienza di se.
Oggi le nuove tecnologie di analisi non invasiva (TAC, risonanza magnetica, PET, ecc.) hanno reso possibile il rilevamento diretto di tali aree del cervello in tempo reale, durante il loro stesso funzionamento.

I CASI DI ACROMATOPSIA

Nel 1995, nel suo saggio “Un antropologo su Marte”, il neurologo statunitense Oliver Sacks illustrò anche il caso clinico di un paziente affetto da acromatopsia cerebrale (incapacità di distinguere i colori) causata da una lesione delle aree V4.
Il paziente, raccontava, descriveva gli oggetti come se “fluttuassero”, esposti a luci diverse.
Egli vedeva un mondo in toni di grigio, ma essi cambiavano in modo radicale nelle diverse condizioni di illuminazione.
Gli oggetti rossi, ad esempio, che a lui sembravano neri, diventavano più chiari quando colpiti dal sole del tardo pomeriggio.
La lesione del paziente infatti, non riguardava l’area V1, ma era ristretta alla zona della codifica del colore, l’area V4: egli vedeva la realtà in funzione delle diverse lunghezze d’onda della luce, ma non riusciva a correlare successivamente queste informazioni in modo da generare la sensazione di colore.
Semir Zeki è un docente britannico, professore di neurobiologia alla University College di Londra.
Oliver Wolf Sacks (Londra, 9 luglio 1933) è un neurologo, scrittore e chimico britannico, attualmente docente di neurologia alla New York University School of Medicine.

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