Kleur en het enigma van Maxwell

James Clerk Maxwell deed in zijn adolescentie al onderzoek naar de verschijnselen licht en kleur. Als student betrok hij de zintuiglijke verwerking van zicht en de ervaring van kleur bij dit onderzoek. Zijn ontdekkingen spelen een belangrijke rol in de kleurenfotografie en het weergeven van kleuren.

Geleerden en straatnamen in de Watergraafsmeer – deel 30
Robert van Andel | Afbeelding Henk Pouw

DDe Maxwellstraat dankt zijn naam aan de Schotse natuurkundige en wiskundige James Clerk Maxwell (1831-1879). De aanleg van de straat vond plaats tijdens de wederopbouw na de Tweede Wereldoorlog. De auto had veel ruimte. Aan de ene kant bevinden zich de gesloten binnenplaatsen van de huizen van Jeruzalem en aan de andere kant blokken eengezinswoningen met lange rijen garages in het midden.

wit of bruin

Midden 19^Hij eeuw, tijdens Maxwells opleiding, en anderhalve eeuw na de publicatie van Isaac Newtons ‘Principia Mathematica’ (1687) en ‘Opticks’ (1704), hadden Newtons drie bewegingswetten en zijn wet van de zwaartekracht een heilige status. Op de middelbare school leren we hier nog steeds over. Maar Newtons ontdekkingen over licht en kleur hadden die status niet. Het bleef de vraag of licht uit deeltjes bestaat, zoals Newton beweerde, of dat het een golfkarakter heeft, zoals Christiaan Huygens beweerde. FunctieMijn van het lichtMijnmet betrekking tot (1690) gaf argumenten vóór. Bovendien leverde Newtons kleurenonderzoek een tegenstrijdigheid op. Het samenbrengen van de ‘zeven’ kleuren van de regenboog resulteert immers weer in wit licht, terwijl schilders die pigmenten mengen met rood, blauw en geel als primaire kleuren nooit wit bereiken. Bovendien was de kleur bruin voor Newton ook problematisch omdat de regenboog geen bruin vertoont.

Als tiener herschepte James Maxwell de experimenten van Newton, maar ook die van Thomas Young (1773-1829). Young was een Engelse arts/natuurwetenschapper en ook bekend als egyptoloog. Rond 1800, een eeuw na Newton en een halve eeuw vóór Maxwell, had Young onderzoek gedaan naar licht en kleur en dit gerapporteerd aan de Royal Society of London. Hij beschreef lichtexperimenten met prachtige band-/interferentiepatronen en theoretische argumenten voor het golfkarakter van licht. Hij legde de kleuren van zeepbellen uit licht uit als een golfverschijnsel. Op basis van zijn waarnemingen berekende hij de golflengten van de verschillende kleuren van de regenboog en was ook de eerste die bevestigde dat de golfbeweging van licht loodrecht staat op de voortplantingsrichting. In Engeland werd niet begrepen dat Young tegen Newton was, maar in Frankrijk bevestigden onderzoekers zijn mening.

Oogspiegel

Dr. Young was geïnteresseerd in de werking van het oog en de lens. Hij analyseerde lensafwijkingen: bijziendheid, verziendheid en astigmatisme. Ook was hij geïnteresseerd in het zintuiglijke proces van een beeld geprojecteerd op het netvlies tot de beleving van de buitenwereld met kleursensaties. Patiënten met verschillende vormen van kleurenblindheid brachten hem op het idee dat het oog alle kleuren kan waarnemen met drie verschillende receptoren. De Duitse arts en natuurkundige Hermann von Helmholz (1821-1894), genoemd in de Helmholzstraat, ondersteunde dit concept experimenteel. Deze trichromatische kleurontvangst staat bekend als de Young-Helmholz-theorie. Deze theorie diende als hypothese voor de jonge Maxwell in zijn onderzoek naar kleurwaarneming.

Waren de kleuren van de zeepbellen golven?

Voor zijn onderzoek ontwikkelde Maxwell eerst een instrument waarmee de binnenkant van het oog, het netvlies, geïnspecteerd kan worden. Hij inspecteerde de netvliezen van medestudenten en honden. Von Helmholz ontwikkelde ook een oftalmoscoop en later bleek dat hij Maxwell daarmee voor was.

Cirkelen

Het onderzoek van Maxwell heeft vastgesteld dat kleuren verdwijnen in helder “wit” licht wanneer regenbooglichtstralen samenkomen, maar dat het mengen van pigmenten geen wit oplevert. Hij ontwikkelde zijn ‘kleurentop’, een roterende schijf met kleursegmenten die hij kon aanpassen op basis van kleur en grootte. Dit instrument leek op de draaiende schijf van Newton, maar had alleen gelijke segmenten in regenboogkleuren. Maxwell begon met het aanbrengen van de drie primaire kleuren, rood, geel en blauw, elk op een deel van zijn draaitafel op afwisselende oppervlakken. De grootte van de gekleurde gebieden varieerde echter; wanneer de schijf werd rondgedraaid, werd wit niet waargenomen. Vervolgens experimenteerde hij met slechts twee van de drie kleuren. Bij blauw en geel levert het spinnen geen groene kleur op, zoals bij het mengen van verf, maar eerder een dof roze. Daarom moest er een fundamenteel verschil in perceptie zijn tussen licht dat werd gereflecteerd door een oppervlak bedekt met gemengde pigmenten en licht dat werd gereflecteerd door een snel roterende schijf met kleurgebieden van verschillende kleuren.

Kleuren-tv

Maxwell redeneerde dat bij het mengen van de pigmenten de kleurindruk wordt gecreëerd door gereflecteerd licht, zodat geen van de pigmenten dit absorbeert. Het geabsorbeerde en opgevangen licht bereikt het oog niet! En bovendien worden de kleuren gereflecteerd door de kleurvlakken van de bovenste kleur Het oog ontvangt alle verschillende kleurprikkels die zintuiglijk worden gecombineerd. De verbazingwekkende wiskundige analyse van Maxwell komt hierop neer: het eerste proces is aftrekken en het tweede is optellen, wat het verschil in kleurwaarneming verklaart!

Garagedeuren in rood, groen of blauw!

Maxwell richtte zijn onderzoek nu op de bovenste kleur welke combinatie van kleurgebieden leidt tot een helder “wit” via de receptoren van het oog en welke combinatie vervolgens wordt waargenomen als een regenboogkleur of iets anders, zoals bruin. Door eindeloos te experimenteren ontdekte hij dat sensaties van een volledig kleurengamma kunnen worden gecreëerd met kleurvlakken in verschillende maten rood, groen en blauw. De technologie van kleurentelevisie met rode, groene en blauwe lichtbronnen is gebaseerd op het idee van Maxwell.

Voorstel voor garageboxen.

In de tweede helft van de 20e eeuw werd overtuigend aangetoond dat het netvlies naast staafvormige cellen voor donker zien, drie soorten kegelvormige cellen heeft voor kleurenzien. Elk type kegelcel heeft een molecuul waarvan de grootste prikkelbaarheid bij een andere golflengte hoort en dus bij een andere kleurwaarneming, respectievelijk in het rode, groene en blauwe bereik.

De Maxwellstraat vertoont nog steeds geen kleur in de geest van Maxwells wetenschappelijk onderzoek. Zou het niet geweldig zijn als er een kleurproject kwam voor de Maxwellstraat? De garagedeuren zijn in veel huizen van Darwinplants verkrijgbaar in rood, groen of blauw.

Correctie
In de aflevering ‘The Color Riddle and Newton’ werd een extra c verkeerd gespeld in de naam van Clerk Maxwell en het boek van Newton was Optiek geschreven zonder k. Met dank aan kritische lezers.