Ar žinote, kad visos gražios kosmoso nuotraukos, kurias esat matę internete, ant kolegos kompiuterio darbastalio arba tiesiog žurnale, yra netikros? Ar esate pagalvoję, kad mokslininkai irgi gali „gudrauti“ vardan viešųjų ryšių? Ne? Nieko baisaus! Žmogus mėgsta pagražinti, o mokslininkai irgi žmonės. Be to, pinigus mokslui skirsto irgi žmonės.
Šis įrašas brendo gana ilgai. Viskas prasidėjo dar tais laikais, kuomet aš buvau Vilniaus Universiteto Fizikos fakulteto studentas. Laikai buvo sunkūs ir man teko dirbti kopijavimo centre Vienuolio g. Vilniuje. Negalėdamas lankytis paskaitose, aš skaičiau vadovėlius darbe, namuose vakarais, sėdėjau iki išnaktų su namų darbais, o iš darbo pabėgdavau tik dėl laboratorinio darbo, kuriame privalėjau būt fiziškai. Vieni dėstytojai buvo supratingi, kiti mažiau supratingi. Aš nelankiau optikos paskaitų, bet buvau pasiėmęs iš bibliotekos bent 5 optikos vadovėlius, kurios skaičiau vakarais po darbo.
Beskaitant šiuos vadovėlius visų pirma į akis krito tie skyriai, kuriuos dėstytojai tarsi ignoravo. Vienas iš tokių buvo „Fotometrija“. Man, 19 metų vaikinui, būtent šis skyrius visose optikos vadovėliuose pasirodė įdomiausias ir nuo tų laikų tapo mano hobiu. Kas yra fotometrija? Tai yra mokslas apie tai, kaip tikslią optiką susieti su netiksliu žmogumi. Kaip nuo šaltų fizikinių vienetų pereiti prie šiltos malonios lemputės šviesos ilgais žiemos vakarais. Tai mokslas apie tai, kodėl kai kurios lemputės mums šviečia šaltai, o žvakės skleidžia šiltą ir malonią šviesą. Ši optikos dalis nagrinėja žmogaus sąveiką su šviesa, tiksliau jos fizikine dalimi.
Visų pirma, mūsų akies tinklainė yra mozaika, sudaryta iš dvejų tipų fotoreceptorių – lazdelių ir kūgelių (kolbučių). Kolbutės lemia mūsų spalvinį regėjimą, o nuo lazdelių priklauso mūsų juodai-balta rega. Kolbutės labiausiai susitelkusios ties tinklainės centru – srityje, vadinamoje fovea arba vidurio duobute.
Maksimali kolbučių koncentracija yra apytiksliai 180 000 receptorių kvadratiniame milimetre pačiame duobutės centre ir sparčiai mažėja už vidurio duobutės ribų, kur jų tėra apie 4 000 kvadratinime milimetre. Dėl šios priežasties mūsų centrinis regos laukas mato spalvas, o periferinis yra blankesnis. Tačiau lazdelės yra jautresnės, jos mums suteikia gebėjimą matyti prietemoje. Lazdelių privalumas yra tas, kad jų reakcijos laikas yra mažesnis nei kolbučių, tačiau jos yra tūkstančius kartų jautresnės nei kolbutės. Lazdelės neįtikėtinai gerai junta judesius. Jų dėka mes pastebime judėjimą ir neryškius objektus regos periferiniame lauke. Lazdelių jautrumas paaiškina, kodėl pastebėję kažką savo periferiniame regos lauke mes galime to nebepamatyt atsukę galvą, nes tas pastebėtas šviesos šaltinis kolbutėms gali būt tiesiog per menko intensyvumo.
Lazdelės yra atsakingos už žmogaus regą tamsoje. Toks regėjimas dar vadinamas skotopine (scotopic) rega, o už ją atsakingas pigmentas rodopsinas, labiausiai jautrus žaliems bangų ilgiams. Įdėmiai pažvelgus į tamsiai žaliai nuspalvintą plotą grafike pastebėsite, kad jis pasibaigia ties 600 nm. Tai reiškia, kad lazdelės nemato raudonos šviesos! Būtent dėl šios priežasties lėktuvuose, laivuose, mašinose, visur kur žmogui gali tekt vairuoti naktį, informaciniai skydeliai yra apšviečiami raudonai. Toks apšvietimas leidžia kapitono, piloto ar vairuotojo akiai prisitaikyt prie tamsos ir tuo pačiu matyt prietaisus.
Žmogaus akies kolbutėse randami trijų tipų fotopigmentai, atsakingi už spalvinę regą:
■ trumpųjų bangų arba S kolbučių fotopigmentai labiausiai jautrūs žydrai violetiniams bangų ilgiams (apie 445 nm), ■ vidutinių bangų arba M kolbučių fotopigmentai labiausiai jautrūs žaliems bangų ilgiams (apie 540 nm), ■ ilgesnių vidutinių bangų arba L kolbučių fotopigmentai labiausiai jautrūs žalsvai geltoniems bangos ilgiams (apie 565 nm).
Daugiausia turime L tipo kolbučių (apie 63-64 proc.), o antroje vietoje yra M tipo kolbutės – jų turime apie 31-33 proc.. Jautriausios yra S tipo kolbutės, tačiau jų yra labai mažai (apie 4-6 proc. visų kolbučių) ir jos yra vidurio duobutės kraštuose. Dėl šios priežasties žmonėms sunkiausiai būna pastebėti ryškius mėlynos (žydros) šviesos šaltinius. Mūsų protas kažkiek bando koreguoti šią situaciją pastiprindamas žydros spalvos signalą, tačiau šios spalvos vaizdas mums visada atrodys labiau išblukęs nei kitų spalvų.
Visų pirma, skyra geriausia būna tuomet, kai šviesa apšviečia tinklainės vidurio duobutę, o S tipo kolbutės yra šios srities kraštuose. Antra, efektas yra susijęs su tuo, kad akies lęšiuko lūžio rodiklis mėlynai spalvai yra kitoks negu žaliai ir geltonai. Dėl šios priežasties, mes negalime vienu metu sufokusuoti vaizdo į skirtingų spalvų objektus.
Geriausias būdas pademonstruoti tai studentams yra paimti įkaitinto gyvsidabrio garų lempą. Garų spektre bus trys ryškios linijos – žydra, žalia ir geltonai raudona. Paėmę trejetą filtrų, mes galime panaikinti iš šviesos šaltinio dvi spalvas, palikdami trečią, o tuomet paprašyti studentų įvertinti linijų plotį ir/ar jų ryškumą. Tuo pačiu eksperimentatorius naudoja kontrolinį prietaisą – fotoaparatą arba vaizdo kamerą, kurie nepriklausomai nuo studentų išsaugo gaunamą juodai baltą vaizdą. Atlikus eksperimentą, paaiškėja, kad studentams mėlynos spalvos linija atrodė beveik trečdaliu plonesnė negu kitų spalvų linijos. Kontrolinis matavimas fotoaparatu gi parodo priešingai, kad mėlyna linija kaip tik buvo plačiausia iš visų trijų (ši linija gyvsidabrio garuose iš tiesų yra stipresnė).
Jei vis dar tebeskaitote, turėtų jau kilti mintis, kad žmogaus akies fizika yra gana sudėtingas ir painus mokslas. Ir busite velniškai teisūs. Fizikoje kalbama apie dvi optikos mokslo sritis: radiometriją ir fotometriją. Radiometrija yra šviesos, nuo radijo bangų iki Rentgeno spindulių, matavimas naudojant nepriklausomą teisėją – fizikinį prietaisą. Jei perkate lemputę ir ant jos užrašyti vatai, tai yra radiometrinis vienetas. Fotometrija yra mokslas apie šviesos matavimą, kurį apibrėžiame kaip matavimą žmogaus akies pagalba. Šią optikos dalį domina tik tos šviesos bangos, kurias mato mūsų akis. Tai yra bangos tarp 360 ir 830 nm. Kitaip tariant, fotometrijoje naudojami radiometriniai prietaisai, kurių atsakas į šviesą yra toks pat kaip žmogaus akies atsakas. Ir, jeigu kurs nors lemputės aprašyme sutinkate tokius vienetus, kaip liumenas, liuksas, kandela ir dar visa krūva egzotinių žodžių, tuomet matote fotometrinius vienetus.
Kodėl tai yra svarbu? Matote, mūsų akis yra jautriausia žaliai spalvai. Jeigu paimtume tris vienodo galingumo vatais, bet skirtingų spalvų lemputes (žalią, mėlyną ir raudoną), būtent žalia mums atrodys ryškiausia. Antra bus raudona, ji mums atrodys bent porą kartų blankesnė, o blankiausia mums atrodys būtent mėlynoji. Norėdami kompensuoti jų blankumą turėtume paimti galingesnį mėlynos ir raudonos spalvos šviesos šaltinį. Jeigu norime parduoti mėlynos spalvos megztinius, prireiks daugiau efektyvesnių ir geresnių dažų, negu žalios spalvos. Skirtumas tarp radiometrinio (arba tikslaus) matavimo ir fotometrinio (arba žmogiškojo) geriausiai matosi šiame paveiksliuke. Dienos šviesos radiometrinis maksimumas yra ties mėlynais bangos ilgiais, o fotometrinis maksimumas yra ties žaliais bangos ilgiais.
Praktiniu požiūriu fotometrija mums reikalinga dėl vienintelio dalyko – apšvietimo. Viskas, kas susiję su apšvietimo efektyvumu bei ergonomika, yra fotometrijos sritis. Šiuo tikslu įvedamas toks parametras, kaip šviesos šaltinio efektyvumas. Imamas šaltinio spektras ir padauginamas su fotooptine kreive, rezultatas integruojamas per visus bangos ilgius ir palyginamas su tuo pačiu veiksmu, kuomet spektrų nedauginame, o imame vien šaltinio spektrą. Kitaip tariant, kuo arčiau šaltinio spektras mūsų akies jautrio kreivei, tuo efektyvesnis energetiniu požiūriu yra šaltinis. Ir nors Saulės šviesos efektyvumas yra tik 12 proc., ji yra nepaprastai efektyvi, jei ją lygintume su žvakėmis (0,04 proc.), halogeninėmis lempomis (3,5 proc.). Ir tik baltos šviesos diodai pasiekia beveik 22 proc. efektyvumą.
Sekundei susimasčiau, ar yra žmonių, kurie skaitys šį įrašą, ir nežinos kas yra „Hubble“ teleskopas? Žinau, kad bus žmonių, kuriems prireiks keleto puodelių kavos ir poros cigarečių, kol jie nusigaus iki šios įrašo vietos. Bet, manau, visi bus matę nepaprastai populiarias kosmines nuotraukas, kaip kad ši „Dievo piršto“ nuotrauka. Bet retas žino, kad iš tiesų atsidūrus kosmose ir žiūrint į tą patį tašką per galingiausią teleskopą, nieko panašaus į šį didingą vaizdą nepamatytume. Tiesa pasakius, vaizdas būtų gana neįdomus ir nykus. Ir taip būtų būtent dėl mūsų akies fizikos, o šiam nusivylimui paaiškinti mums ir būtina fotometrija.
Ramu, tylu ir štai prieš gerą porą mėnesių NASA atnaujino savo teleskopo nuotraukų archyvą – dabar ten galima rast didesnės raiškos „Photoshop“ produktų. Ir kaip būna mūsų internetuose, ši naujiena tapo vos ne virusinė. Štai ir ar nesusilaukiau bei parašiau vieną komentarą vienoje sienoje: „Gaila, bet dažniausiai žmogus nesuvokia, jog tai fotošopas, o ne tikri „Hubble“ vaizdai“.
Ir žinote ką? Likau nesuprastas, o reakcija buvo visiškai ne tokia, kokios tikėjausi. Beveik niekas nesuprato, kodėl aš kritikuoju tokias gražias nuotraukas. Sako, Orlovai, eik gal pas gydytoją, sveikatą pasitikrink, taigi tokios gražios ir tikroviškos nuotraukos! O tu čia su savo kritika. Sakau beveik, nes štai astronomas, dr. Kastytis Zubovas, gan neblogai savo tinklaraštyje aprašė reikalą. Neblogai, bet ne visai tiksliai. Buvo pamiršta fotometrija.
Pradėti reikėtų nuo to, kad „Hubble“ turi daugiau nei 40 skirtingų kamerų, kurios daro juodai baltas nuotraukos. Tų nuotraukų prasmė yra radiometrinė, kadangi kiekviena nuotrauka padaroma vienai konkrečiai spalvai. O jei bangos ilgis yra už žmogaus akies jautrumo ribų, tuomet spalvos sąvoka kaip ir nebeegzistuoja. Vienos nuotraukos daromos infraraudonojoje srityje, kitos – ultravioletinėje. Ir visur pilkumo laipsnis atitinka intensyvumą vatais.
Net nekalbu apie tai, kad nuotraukas galime daryt ir radijo bangų, ir rentgeno spindulių ruožuose. Ir visoms šioms regimų spalvų neturėjusioms nuotraukoms galima suteikt spalvas. Ir būtent čia atsiranda toks svarbus klausimas: o kokias spalvas?
Visų pirma, „Hubble“ nuotrauką padarė naudodamas 3 filtrus:
■ Hα, vandenilio filtras – tai raudona spalva, bangos ilgis 656,3nm ■ O-III, deguonies filtras – tai žalia spalva, bangos ilgis 500,7 nm ■ S-II, sieros filtras – tai vėl raudona spalva, bangos ilgis 672,4 nm
Matome, kad dvi spalvos yra raudonos. Tačiau ką daro NASA su „Hubble“ juodai baltomis nuotraukomis? Žalia spalva virsta mėlyna, vandenilio spalva virsta žalia spalva, ir tik sieros filtro juodai balta nuotrauka lieka raudona. Dar daugiau, pamenate, esu kalbėjęs apie žmogaus atsaką raudonai, žaliai ir mėlynai spalvoms? Jei juodai baltos nuotraukos pirmoje eilutėje atrodo mums vienodai ryškios, mėlynos spalvos nuotrauka atrodo mums gerokai blankesnė. Logiška būtų prieš sudedant spalvas tai pakoreguoti? Pagal fotooptinę kreivę tam reiktų paryškint mėlyną nuotrauką keturis-penkis kartus, o raudoną – bent porą kartų. Tačiau tuomet nuotrauka prarastų savo žavų žalsvą foną. Ir NASA to tikrai nedaro. Niekaip nėra atsižvelgiama į mūsų akies jautrį. Ir, galu gale, kam tai įdomu? Kam tie žaidimai su intensyvumo lygiais?
Iš kitos pusės egzistuoja ir kita spalvų priskyrimo schema, kuria naudoja kita mokslinė laboratorija (Canada-France-Hawaii teleskopas). Šioje schemoje pirma nuotrauka lieka žalia, tačiau trečia nuotrauka tampa mėlyna. Jei mes palygintume NASA ir to kito teleskopo nuotraukas, štai ką mes gautume (žr. aukščiau).
Galite paklaust, o kaip tas Rosetos ūkas iš tikrųjų atrodo? Be jokių žaidimų su spalvomis? Atsakau į klausimą. Štai ką matytų žmogaus akis. Na, tokie atvirukai dabartiniame pasaulyje sunkiai konkuruotų. Blanku ir nuobodu.
Nepamirškite, jog žaidimų su spalvomis gali būt dar įdomesnių. Be to, kad kaitaliotume spalvas ir keistume intensyvumo lygius, mes dar galime paimti kitą spalvų paletę. Kodėl būtent raudona, žalia ir mėlyna? Juk dar yra CMYK paletė! O kur menininkų mėgstama RYB paletė? O kur psichologinių spalvų paletė? Nekalbu apie kitas egzotiškas spalvų schemas!
Įrašo pabaigai noriu dar priminti, kad skirtingai maišydami spalvas, mes pamirštame ir apie psichologinius efektus. Mūsų smegenys automatiškai palygina gretimai esančius mėlynos ir raudonos spalvos pikselius paveiksliuke su mėlynos ir raudonos spalvos santykiu apšvietime arba paveiksliuko fone. Būtent todėl mes nustembame, kuomet atspausdinę nuotrauką, nuotrauka vizualiai atrodo visai kitaip, negu mes tikėjomės ir negu mes matėm kompiuterio ekrane. Priklausomai nuo apšvietimo, ir vidinės kompozicijos nuotrauka gali mums atrodyti „neteisinga“, „nejauki“.
Jei turite noro pasižaisti su astronominiais paveiksliukais ir pasižiūrėt, kaip kas atrodys Fotošope, reikiamus įrankius rast galima čia.
