Het raadsel kleur en Newton

Bron: #Dwars door de buurt – editie 240

Kleur betekent puur genot voor de waarnemer; maar wat is kleur eigenlijk? Isaac Newton en James Clerck Maxwell behoren tot de grootste natuurkundigen aller tijden. Beiden onderzochten al op jonge leeftijd licht en kleur vanuit verwondering over deze verschijnselen van alledag.

De Newtonstraat en de Maxwellstraat zijn vernoemd naar twee geleerden die ieder voor zich revoluties teweeg brachten in de wetenschap van de natuurkunde. Isaac Newton (1643-1727) en James Clerck Maxwell (1831-1879) leefden bijna twee eeuwen na elkaar. Als adolescent en jong volwassene deden beiden inventief, origineel onderzoek naar kleur vanuit hun fascinatie met licht en kleur en de relatie tussen beide. Hun verwondering leidde hen tot een aantal vragen die zij wilden onderzoeken.
Heeft een voorwerp kleur in het donker dus, als kenmerk van zichzelf, of krijgt het alleen maar kleur doordat er licht opvalt?
Wat is licht en hoe zijn licht en kleur te begrijpen?
Welk signaal vangt het oog en hoe wordt dat als licht en als kleur beleefd?
Welke kleuren zijn mengkleuren en wat zijn zuivere kleuren?

Zichtpyramide
Natuurfilosofen hebben zich natuurlijk al veel langer deze vragen gesteld en daar speculatieve antwoorden op geformuleerd. Maar het ontbrak hun aan een onderzoekstraditie om proefondervindelijk hun ideeën / hypothesen te testen. In de Griekse beschaving van lang voor onze jaartelling werd geopperd dat door een werking vanuit het oog de wereld zichtbaar gemaakt word. En dat een prikkel van buitenaf het oog raakt. Vanaf de 11e eeuw domineerde, onder de naam Perspectiva, de opinie van de Egyptisch-Arabische arts-filosoof Ibn al-Haytham, in Europa verbasterd tot Alhazen. Hij meende dat alleen loodrecht in het oog vallend licht tot zicht leidt. Maar dan zijn er oogbewegingen nodig om een beeld te vormen via een ‘zichtpyramide’.

Lichtbreking
De astronoom Johannes Kepler (1571-1630), vernoemd in de Johannes Keplerstraat naast de Newtonstraat, maakte tijdens zijn leven de uitvinding van de telescoop mee. De werking van lenzen onder de naam optica, dus de richtingverandering van lichtstralen op de grensvlakken waar licht het lensglas ingaat en verlaat, kwam toen volop in de belangstelling. Kepler corrigeerde het Perspectiva ideeëngoed met zijn publicatie in 1604 van Astronomia Pars Optica Traditur (de rol van de optica in de astronomie verklaard). Hij maakte ook schitterende tekeningen van de bouw van het oog en van stralengangen van licht door het oog met breking in de lens en beeldvorming op het netvlies. De wetenschappelijke revolutie die het aloude Aristotelische wereldbeeld onhoudbaar maakte, won hiermee aan kracht.

Sensatie
Dit bracht René Descartes (1596-1650) tot zijn baanbrekende maar louter speculatieve natuurfilosofie. Descartes beschreef in zijn essay La Dioptrique (Lichtbreking) de werking van lenzen vanuit de wiskunde. Hij bracht gedachten naar voren over de regenboog aan de hand van enkele en meervoudige lichtbreking in regendruppels. Descartes opperde dat kleur geen wezenskenmerk van materie is, maar een sensatie die in ogen en hersenen gewekt wordt. Licht vatte hij op als een druk die zich zonder tijdverlies over de materie die de ruimte vult, verplaatst en deze doorzichtig maakt.

Golf
Onze landgenoot Christiaan Huygens onderzocht Descartes’ botsings- en bewegingsconcepten. Hij toonde proefondervindelijk en met gedachtenexperimenten aan dat deze niet in overeenstemming waren met de werkelijkheid. Zijn onderzoek bracht hem ertoe licht als een wiskundig te duiden golfverschijnsel te beschrijven in zijn Traite de la Lumière (Verhandeling over licht) van 1690.

Verschillen
Isaac Newton kende als jonge man het effect van een smalle lichtstraal die door een prisma valt en dan de kleuren, het prachtige spectrum van de regenboog, toont. Hij was daardoor gefascineerd en testte en analyseerde dit fenomeen op velerlei manieren. Zelfs liet hij het licht van een ster via een spleet in het gordijn van een verduisterde kamer door een prisma vallen. Als 22-jarige student vatte hij zijn opvattingen over licht samen met ‘hoe meer gelijk de deeltjes zijn die de zichtzenuwen raken des te meer komen voorwerpen over als kleur hebbend: rood, geel, blauw, groen, en zo voor; echter hoe meer verschillend de deeltjes zijn hoe meer voorwerpen overkomen als wit, zwart of grijs’.

Eensoortig
Bijna 40 jaar later publiceerde hij zijn 400-pagina dikke boek Optics, waarin hij een fenomenale uitwerking met proefondervindelijk bewijs van zijn oorspronkelijke inzichten geeft. Newton toont dat met een lens weer samenbrengen van de met een prisma uitgesplitste lichtstralen opnieuw leidt tot wit licht! Ook toont hij dat de uitgesplitste gekleurde lichtstralen zich met een tweede prisma niet verder laten schiften. Zijn verrassende inzicht luidt: wit licht is samengesteld uit van elkaar verschillende deeltjes en de te onderscheiden gekleurde lichtstralen van het spectrum zijn eensoortig. Newton concludeert vervolgens dat kleur van een met wit licht, dus samengesteld licht, beschenen voorwerp de weerkaatsing is van een deel van het erop vallende licht, terwijl het niet weerkaatste licht geabsorbeerd wordt. Het weerkaatste licht geeft dan de kleur. Het samengestelde karakter van wit licht demonstreerde hij ook met wat nu de Newtonschijf heet, een schijf die rondgedraaid kan worden en die zeven segmenten heeft in de regenboogkleuren, rood, oranje, geel, groen, blauw, indigo en violet, maar die bij snel ronddraaien als wit waargenomen wordt.

In de 18de en 19de eeuw leken Newtons drie bewegingswetten en de zwaartekrachtswet schier onaantastbaar. Maar zijn visie op het deeltjeskarakter van licht bleef problematisch. In die eeuwen domineerde steeds meer Huygens’ visie op licht als een aan de hand van proeven te tonen golfverschijnsel. De revoluties in de natuurkunde van de 20ste eeuw hebben het dilemma van de golf – deeltje tegenstelling overbrugd.

Donkere brij
Voor de niet tot het regenboogspectrum behorende kleuren, zoals bijvoorbeeld bruin gaf Newton als verklaring combinaties van spectrale kleuren maar helemaal overtuigend was dit niet. Eén van de raadselen bleef dat in de schilderkunst bij het bereiden van verf gewerkt werd vanuit ambachtelijk overlevering met kostbare, soms uit verre streken afkomstige pigmenten en een rijke ervaring over het effect van mengen van pigmenten. Rood, blauw en geel kregen daarbij als primaire kleuren de hoofdrol. Schilders, en allen die met verf werken, ervaren dat mengen van de kleuren van de regenboog niet leidt naar wit, maar tot een heel donkere brij. Wat is hier aan de hand en hoe moet de waarneming hierbij betrokken worden? Descartes stelde al dat de prikkel die het oog binnenvalt en de ervaring van een kleursensatie van elkaar onderscheiden moeten worden. James Clerck Maxwell ontrafelde dit probleem. Hij wordt de hoofdpersoon op pagina zeven in de Dwars van maart. #

Robert van Andel

Van de redactie van #Dwars…
Dit is een aanvulling op de rubriek geleerden en straatnamen in de Watergraafsmeer. Deze serie bijdragen is in Dwars verschenen tussen 2018 en 2022. De teksten zijn gebundeld in de Straatnamenkrant die nu gratis verkrijgbaar is in de bibliotheek.