Znanstveniki razrešili 100 let star problem – kako v resnici vidimo barve?

Mnogi avstrijskega fizika Erwina Schrödingerja poznajo po njegovi slavni miselni uganki o mački, ki je hkrati živa in mrtva.

Malokdo pa ve, da je ta avstrijski nobelovec in eden od očetov kvantne mehanike velik del svojega ustvarjalnega genija posvetil nečemu veliko bolj vsakdanjemu, a hkrati izjemno zapletenemu: vprašanju, kako ljudje vidimo barve.

Leta 1920 je Schrödinger razvil matematične modele, s katerimi je želel opisati, kako človeški možgani merijo razdalje med različnimi barvnimi odtenki.

V njegovi teoriji pa je kar celo stoletje zevala napaka, ki je povzročala sive lase razvijalcem zaslonov in grafičnim oblikovalcem.

Zdaj, natanko sto let kasneje, so znanstveniki iz prestižnega ameriškega nacionalnega laboratorija Los Alamos to uganko končno rešili, poroča portal Science Daily.

Kako deluje vid?

Da bi razumeli odkritje, moramo najprej razumeti, kako deluje naš vid, in poznati nekaj malega matematike – ampak brez bojazni.

Človeško oko svetlobo zaznava s tremi vrstami receptorjev (čepkov), ki so občutljivi na rdečo, zeleno in modro barvo. Ti svetlobo pretvorijo v tri električne signale, ki jih pošljejo v možgane.

Ti pa te signale obdelujejo. Na nek način se neprestano sprašujejo: "Je ta (signal) odtenek podoben prejšnjemu? Je podoben tistemu zraven?"

Na koncu ustvarijo sliko, na kateri so barve in njihovi odtenki konstantni, torej se ne spreminjajo kar naprej.

Schrödingerjeva ideja: ukrivljen barvni prostor

Že pred Schrödingerjem so raziskovalci, ki so se ukvarjali s problemom zaznavanja barv, dobili idejo, da bi proces lahko predstavili z matematičnim modelom.

Signale iz treh vrst čepkov bi lahko predstavili kot koordinate v tridimenzionalnem grafu (torej v prostoru z osmi X, Y in Z). Ta "prostor" pa so poimenovali "barvni prostor".

Primerjanje signalov, ki ga izvajajo možgani, pa bi lahko opisali kot računanje razdalje med dvema točkama v barvnem prostoru.

Schrödinger pa je bil prvi, ki je v ta "barvni prostor" uvedel tudi posebno geometrijo, tako imenovano Riemannovo geometrijo, poimenovano po nemškem matematiku, ki jo je prvi opisal.

Gre za geometrijo, ki opisuje ukrivljene prostore (recimo krogle), pri katerih najkrajša povezava med točkami ni ravna črta, ampak krivulja – mimogrede, to geometrijo je uporabil tudi Albert Einstein za opis vesolja v splošni teoriji relativnosti.

A čeprav je njegov model bolje opisoval zaznavanje barv, pa ni dovolj natančno predvidel, kako močno zaznamo razliko med dvema podobnima odtenkoma modre v primerjavi z dvema podobnima odtenkoma rumene.

Povedano zelo preprosto: primerjave odtenkov, ki so bile v Schrödingerjevem matematičnem modelu enake, so se človeškemu očesu zdele povsem različne.

Upoštevanje "ojačevalca"

Zdaj so znanstveniki odkrili, kje je Schrödinger naredil napako in njegovo geometrijo popravili.

Glavni razlog za to, da je druga geometrija uspešnejša, leži v našem nevrološkem sistemu.

Možgani signalov iz očesa ne seštevajo linearno, temveč izvajajo tako imenovano kompresijo.

Ko recimo stopite v temno sobo, sprva ne vidite ničesar, zato morajo možgani svojo občutljivost povečati.

Lahko bi rekli, da "ojačevalec navijejo do konca". Zaradi te visoke občutljivosti lahko v temi zaznate že najmanjšo spremembo.

Če recimo v popolnoma temni sobi prižgete eno samo svečo, bo razlika v svetlobi za vaše možgane ogromna.

Nasprotno, ko stopite iz temnega prostora na močno opoldansko sonce, vas svetloba sprva zaslepi.

Možgani so namreč še vedno nastavljeni na "visoko ojačanje". Hitro pa se sproži adaptacija na svetlobo.

Ker je svetlobe v okolju na pretek, možgani znižajo svojo občutljivost. Gumb za ojačanje signala obrnejo močno navzdol.

Zaradi tega prehodi med barvami niso enakomerni, ampak se "raztegujejo" in "krčijo".

Znanstveniki iz Los Alamosa so zdaj to kompresijo upoštevali in z naprednimi računalniškimi analizami končno natančno izmerili in odpravili stoletno napako.

Novi model tako bolje razloži, zakaj določena razlika med odtenki pod močno svetlobo deluje drugače kot v mraku.

Novi model bi lahko pomagal tudi razložiti nekatere optične iluzije.

Zakaj je to pomembno in kje bomo odkritje občutili?

Morda se zdi popravek stare matematične teorije kot nekaj, kar zanima le peščico znanstvenikov, a posledice tega dosežka so izjemno praktične in bodo vplivale na naš vsakdan:

Zasloni naslednje generacije: Današnji televizorji, pametni telefoni in monitorji kljub napredni tehnologiji (kot sta OLED ali QLED) še vedno ne prikazujejo barv povsem popolno, saj so njihovi algoritmi temeljili na starem, pomanjkljivem modelu barv.

Novi model bo omogočil razvoj zaslonov s kalibracijo, ki bo barve prikazovala natanko tako, kot jih vidimo v naravi.

Znanstvena in medicinska vizualizacija: Astronomi, zdravniki in meteorologi se močno zanašajo na barvne diagrame (na primer pri slikanju možganov z magnetno resonanco ali pri satelitskih posnetkih vremena).

Natančnejši model barv bo preprečil, da bi zaradi napačnega barvnega prehoda spregledali ključne podrobnosti, kot je npr. droben tumor ali nevaren atmosferski premik.

Grafična industrija in tekstil: Oblikovalci pogosto naletijo na težavo, ko se barva na zaslonu ne ujema s tisto na natisnjenem papirju ali blagu.

S popolnim modelom barvnega prostora bodo ti prehodi postali povsem brezšivni in predvidljivi.

Znanstveniki so z dokončanjem Schrödingerjevega dela dokazali, da so človeški možgani in naša zaznava narave še bolj zapleteni, kot smo mislili.

Stoletna uganka je končno rešena in lahko bi rekli, da rezultat na nek način omogoča lepši, natančnejši in svetlejši pogled na svet okoli nas.