『色』とは？～ピーマンとパプリカはなぜ見分けられるのか～所属：物理・数学ゼミ１年 3 組 27 番角田優伍第１章はじめに第１節テーマ設定の理由世界は色に満ちている。「地球は青かった。」これはかの有名な宇宙飛行士ユーリィ・ガガーリンの言葉だが、なぜ、ガガーリンには地球が「青く」見えたのだろうか。なぜ、私たち人類は地球を見て「青い」と感じることができるのだろうか。そもそも、「青い」とは、「色」とは一体なんなのか。私が「色」をテーマに選んだ理由は、このような小さな疑問が、ずっと私の胸の中にあったからである。第２節研究のねらい色と光の関係について調べることで、「見る」という行為を物理学的に深く理解する。また、色と光の関係がどのような場面で活かされていて、今後どのような場面に活かしていけるのかを考える。第３節第１項研究内容と方法研究の内容ものが見えているしくみ。色と光の関係。色と光の特殊な性質やそれの応用。第２項研究の方法書籍またはインターネットによる情報収集。第２章研究の展開「なにかを見る」ということは「網膜が光子を受け取る」ことであるということは、中学校でも習ういわば一般常識のようなものだ。しかし、なぜ「網膜が光子を受け取る」とこのような色とりどりの世界が見えてくるのか、物の「色」について深く理解している人は少ないだろう。物を見るときにとても重要な情報である色。これを深く理解するためには、光というものの性質を知っておくことが必要不可欠である。まずは、光の性質について書いていこう。 1 第１節第１項光の性質物には色なんてついてない？！もし、私たちに色彩感覚というものが存在しなかった場合、私たちはどうなるか。もちろん物の種類を見分けることは困難となり、日常生活に支障をきたすことは間違いないだろう。仮に色の違いが認識できなくなったとして、私たちはいったいどのようにしてピーマンとパプリカを見分ければいいのだろうか。カレーとシチューの見分けすらつかないかもしれない。シチューだと思って食べたものが実は激辛カレーで大惨事となることも予想される。では、私たちの目と脳はいったいどのようにして物の色を判断しているのだろうか。例えば、ここに、『青いネコ型ロボット』があるとする。このロボットは青いが、なぜ私たちは青いロボットを「青い」とわかるのか。実は、このロボットが青く見えるのは、ロボットの表面が光のうち「黄橙」の部分を吸収しているからなのである。光はよく虹の七色で表現されるが、正確にはもっと多くの色彩を含む。そしてその様々な色をすべて合体させると、その光は白い色に見える。ところが、その様々な色のうちある部分だけを遮ると、白かった光は全く違う色へと姿を変える。たとえば、光のうち黄橙の色彩の部分だけを取り除くと、それ以外の光はまとまって青く見える。赤紫の部分を隠せば緑の光に、青緑の部分を隠せば赤の光になるのだ。この光の性質のおかげで私たちはピーマンとパプリカを見分けることができるのである。上の図は光の色を 20 種類に分けて円上に配置したものだが、その中で一つの色を遮断した場合、私たちの目に現れるのはその反対側の色になる。 2 つまり、ネコ型ロボットが青く見えているのは、ロボットという物体が光のうち黄橙の部分を吸収し、黄橙以外の光がロボットの表面に反射して私たちの目に入った結果、その光を私たちの脳が「青い」と判断しているわけなのである。ようするに、ロボット自体に色がついているわけではないのだ。あのネコ型ロボットは「青い物」なんかではなく、ただの「自分に当たった光のうち黄橙を吸収して残りを跳ね返す物体」なのだ。第２項「黒」と「白」ところで、どの部分の色も吸収されていない状態では、光は白く見える。つまり、「白く見える物体」というのは、どの部分の光も吸収せずに「すべての光を反射している物体」ということになる。一方、黒い物体は「全く光を反射しない」＝「すべての光を吸収する」性質がある。そう、「黒い」というのは、「暗い」ということなのだ。「黒い物」というのは、「見えないもの」なのだ。「なにかを見る」という行為を「網膜が光子を受け取ること」とするならば、例えば白紙に書かれた文章を読むとき、わたしたちは文字を「見て」いるのではないのだ。私たちが「見て」いるのは、文字以外の白い紙の部分なのだ。それを私たちの脳は「黒い文字が見えている」と思い込んでいるだけなのだ。本当は文字なんて見えていない。私たちは普段何気なく色彩の中で暮らしているが、厳密にいえばすべての物体には色などついていないことがわかっていただけただろうか。物体にぶつかって跳ね返る「光」の性質が「色」をつくりだしているのだ。しかし、いくら光の性質によって色が生まれようとも、その光を、その光の違いを受け取る器官が存在しなければ、私たちに色は見えてこない。ピーマンとパプリカを見分けることは永遠に不可能である。では、次は光を受け取るしくみについて書いていこう。第２節第１項「目」という器官ニュートンとヤングと時々ヘルムホルツ「リンゴの人」として世界的な有名人であるアイザック・ニュートンだが、彼は重力以外にも人類史的にみて大発見と言われるものをいくつも発見している。その一つが、1668 年に発見した「太陽の光は紫色から赤色までの様々な色からできている」というものだ。彼は実家の窓の扉に小さな穴をあけて、太陽の光を暗い部屋に入れ、プリズムに光を当てるという実験を行いこれを発見した。 3 これによって彼は、第１節でもでてきたように「太陽の光のような白色光は、すべての光の混ざったもの」ということを確かめたのである。しかし、なぜいろんな色があり、どのようなしくみで違った色に見えるのかはニュートンの時代にはまだわかっていなかった。 100 年以上たった 1801 年になってやっと、イギリスの医師で科学者のトーマス・ヤングが、「色は赤・緑・青の三色によって知覚される」ということを提唱する。そしてこれについてヘルムホルツが理論としてまとめたのが、ヤング＝ヘルムホルツの三色説なのである。今まで、多くのスペクトルから構成される光を処理するのは、「人間の目にある無数の光受容器である」とされてきたのに対し、光を処理しているのは「たった三種類の受容器だけだ」と主張したのだ。ちなみにこのヤングさん、医者、科学者でありながら考古学者でもあり、エジプトの象形文字について研究し、ロゼッタストーンの解読で名を残している。第２項視覚の正体に迫る！人間の目は色覚をもっていて、様々な色を見分けることができる。見ることができる色は、赤色から紫色までの色で、波長にすると、 770 ナノメートルから 380 ナノメートルほどの範囲の色だ。これを可視光、その範囲を可視域とよぶ。ちなみに、シャコなどはこの「可視域」が異常に広く、紫外線・赤外線・果ては電波まで見えているという説があるほどだ。更に、第一項でふれたように人間には三色分しかない色覚が、シャコには 12 色。もし人がシャコの目を手に入れてしまったら、どう説明していいかわからないほどよく「見えて」しまうこと間違いなしである。ところで虹の 7 色は、赤・橙・黄・緑・青・藍・紫の 7 つと言われているが、これは目によく見える色を言っており、実はこれらの色の間に無限といっていい色がある。しかし、人類が識別できる色の数は、165 色くらいまで。ところが、普通 PC のディスプレイは赤・緑・青の光の三原色で約 16,770,000 色もの色を表現する。これは人類の目の能力をはるかに超えた性能だ。つまり、いくらせっせと細かく色を変えようとも人類の目はそれを識別できず変化に気が付けないということだ。なんとももったいない話である。さて、では網膜は実際にどのような構造になっているのだろうか。人間の網膜には錐細胞とよばれる細胞が存在する。そしてその錐細胞には赤・緑・青のそれぞれの光に感じる 3 種類の細胞がある。この 3 種の錐細胞に光が当たると、赤・緑・青の光の強さに応じて興奮し、信号を脳に伝えて色を識別しているのだ。 4 例えば、星を意識したゆるキャラみたいな黄色の物体をみた場合、赤細胞と緑細胞は強く反応しているが、青細胞はほとんど反応しない。それらの情報が脳に送られ、私たちは「黄色い」と感じるのである。さて、ここまでくればそろそろピーマンとパプリカの識別の謎も解けてきたのではないだろうか。まずピーマンとパプリカに当たった白色光が、それぞれ緑・赤の光となり、その光を赤・緑・青の光を感知する錐細胞がキャッチ。そして、それぞれの反応の情報が脳へと送られ、そうして初めて私たちは「こっちは緑のピーマン。こっちは赤のパプリカ」と識別することが可能となる。これが色を識別するという行為の全貌である。第３節第１項 Application 3 色説の応用ヤング＝ヘルムホルツの 3 色説をまさにそのまま応用しているのが、デジカメやビデオカメラの中で画像をとらえている CCD や CMOS などの画像センサーである。一個の画素は RGB(赤・緑・青)の３つの小さな画素からできていて、RGB それぞれの明るさの差から色を作り出しているのである。光や色は、今まで述べてきた性質のほかにも多くの特殊な性質を持つ。そのような光・色の性質に目をつけ、なんとか別のものに応用できないものかと実験に生涯を捧げた科学者たちも少なくない。そのような性質の中でも特に、天文学的な分野でも応用されている「ウィーンの変位法則」と、史上最高の天才画家も目をつけた「補色」とよばれる性質について書いていきたいと思う。 5 第二項燃える色から温度がわかるドイツの物理学者ウィルヘルム・ウィーンという人が発見した、ウィーンの変位法則という面白い法則がある。これは「黒体放射の放射エネルギー強度の最大値の波長は、温度に反比例する」というものだ。つまりどういうことかと言うと、「黒い物体が燃焼しているときの、温度と波長（色）には一定の関係があり、波長（色）によって温度がわかる」ということなのだ。そしてこれは黒体以外の物体にもある程度あてはまる。例えば、ろうそくが燃えているとする。ろうそくの炎をよく見ると、内側の部分は赤っぽく、外側は黄色に見え、外側の一部には青い炎も見える。赤い炎の部分は温度がやや低く、黄色い部分はやや高く、青い部分はいちばん高温である。つまり、「私は、恋の炎が真っ赤に燃えているんだ。」という人は、それほど熱くなっていないということだろう。さて、この法則がいったいどのようなところに応用されてきたか。まず、この法則が発見されたのは 19 世紀の終わりである。その頃は工業化の進展とともに製鉄業が栄えた時代であった。品質の良い鉄をつくるには温度管理がものをいう。当時の技術者たちは、炉の中をのぞき込んでは、色を見て温度を判断したのだ。さらに、この法則はある天文学的な分野で役に立っている。星の温度の計測だ。恒星の表面温度も、ウィーンの変位法則に基づいて恒星が発する光の波長、つまり色から知ることができる。このように、ウィーンの変位法則は古くからさまざまな場所で利用されてきたのであった。第３項ダヴィンチが目をつけた性質とはある色をずっと見ていると、目にはその色の反対の色として、補色（ほしょく）というものが作られてくる。この左にある赤を三十秒くらいじっと見つめてから白紙に視線を移し、その紙をじっとみつめてもらいたい。色が出てくるはずだ。何色が出てきただろうか。青緑が見えたはずである。その青緑こそが赤の補色である。外科医の執刀着が薄い緑から青になっているのは、ドラマなどでも目にするためご存じのことだろう。これは、患者の血の色の補色が目にちらつかないようにするためなのである。第１章にでてきた光の色を 20 種類にわけて円上に配置した図。あの図の反対側に位置している二色が補色の関係にある。例えば緑の補色は赤紫、青の補色は黄橙である。そして、この補色は色相差が最も大きいので、お互いの色を目立たせる効果がある。この性質にいち早く気づき、目をつけていたのが、かの有名な「モナリザの微笑」を描いたレオナルド・ダヴィンチである。ダヴィンチは当時、「補色同士はよく調和する」と語っ 6 ていた。今でも補色配色の看板はかなりたくさんあり、例えばセブンイレブンの看板は、赤―緑の配色となっている。第３章感想・まとめ長い間疑問であったピーマンとパプリカを識別するプロセスを、ついに、知り得ることができた。その過程を調べている間、私は興味深い光・色にまつわる性質に何回も出くわした。そして、その性質や特性は、様々な場面に応用されているということも知った。私は思う。それならば、光や色のもつ性質一つ一つが新たな技術革新につながるヒントやポテンシャルを秘めているのではないか、と。例えば、本文には記述していないが、私が今回の調査のなかで見つけた興味深い性質のなかに「光の色の違いが、人間の『睡眠』という活動に作用する」というものがある。詳しく説明すると、人間は、青白い日光のような光が当たると目が覚めやすくなり、逆に温かい色の光をあびたとき、眠くなるという性質だ。これを応用して、人間の睡眠をある程度コントロールすることができるのはと私は思う。例えば、日光に限りなく近い光をつくることができれば、たとえ早朝でなくともすっきりと目覚めることができるはずである。夜間に仕事をする人にはもってこいではいだろうか。逆に、人間が最も眠くなる色の光を見つけだすことができれば、不眠症で困っている人への一つの医療法となるはずである。このように光や色の性質は様々な可能性を秘めている。もちろん、それを応用し実用化までもっていくには膨大な実験とそれについやす時間が必要だ。しかし、色・光のもつ性質は、きっと人類の未来を LED ライトのように明るく照らしてくれるはずである。第一章の最初でも述べたように、世界は色に満ちている。だが世界に満ちているのは色だけではない。世界は可能性に満ちている。これこそが、私が今回の研究で最も感じたことである。第４章参考文献参考にしたサイトウィキペディア「ヤング＝ヘルムホルツの三色説」「ウィーンの変位法則」「補色」「光」知っておきたい、色の話色って何だろう色と色彩のページ参考にした書籍『感じる科学』『定理と法則 101』 7