Ньютон обратился к исследованиям цветов, наблюдаемых при попытках усовершенствования телескопов. Стремясь получить линзы возможно более хорошего качества, Ньютон убедился, что главным недостатком изображений, получаемых в телескопе, является наличие окрашенных в радужные цвета краев изображений.

В 1666 году Ньютон произвел в Кембридже опыт разложения белого цвета призмой – опыт, который познакомил нас с истинной природой цвета. Через маленькое круглое отверстие в ставне окна в затемненную комнату проникал луч света, а его пути Ньютон ставил стеклянную трехгранную призму и пучок света преломлялся в призме. На экране, стоявшем за призмой, появлялась разноцветная полоса, которую Ньютон назвал «спектром» (от греческого «спектрум» - смотрю). См. рис.1

реконструкция по рисунку Ньютона.

Со времен Ньютона принято различать в спектре семь основных цветов:

красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

Конечно, разделение спектра именно на семь цветовых зон чисто условно. В действительности, глаз различает в спектре громадное количество промежуточных оттенков, поскольку последовательность цветов спектра непрерывна, и каждый цвет переходит в соседний плавно и постепенно.

Описанное наблюдение Ньютона показывает, что лучи разного цвета по-разному преломляются призмой. Это важное заключение Ньютон проверил многими опытами. Важнейший из них состоял в определении показателя преломления лучей различного цвета, выделенных из спектра. Для этой цели в экране, на котором получается спектр, прорезалось отверстие, перемещая экран. Можно было выпустить через отверстие узкий пучок лучей того или иного цвета. Опыты обнаружили, что такой выделенный пучок, преломляясь во второй призме, уже не растягивается в полоску. Такому пучку соответствует определенный показатель преломления, значение которого зависит от цвета выделенного пучка. Зависимость показателя преломления от цвета получила название «дисперсия цвета» (от лат. dispergo – разбрасываю).

Ньютон установил также, что можно наоборот, смешав семь цветов спектра, вновь получить белый цвет. Для этого он поместил на пути разложенного призмой цветного пучка (спектра) двояковыпуклую линзу, которая снова налагает различные цвета один на другой; сходясь, они образуют на экране белое пятно. Если же поместить перед линзой (на пути цветных лучей) узкую непрозрачную полоску, чтобы задержать какую-либо часть спектра, то пятно на экране станет цветным.

Описанные опыты показывают, что для узкого цветного пучка, выделенного из спектра, показатель преломления имеет вполне определенное значение, тогда как преломление белого света можно только очень грубо охарактеризовать одним каким-то значением. Сопоставляя подобные наблюдения, Ньютон сделал вывод, что существую простые цвета, не различающиеся при прохождении через призму, и сложные, представляющие собой совокупность простых, имеющих разные показатели преломления. В частности, белый солнечный свет есть такая совокупность цветов, которая при помощи призмы разлагается на спектральные (простые). Таким образом, в основных опытах Ньютона заключались два важных открытия:

1)     свет различного цвета (длина волны) характеризуется разными показателями преломления в данном веществе (дисперсия);

2)     белый цвет есть совокупность простых цветов.

В чем же состоит основное различие между цветами спектра? Ньютон утверждал, что различные цвета состоят из частиц разного размера: красные лучи – из самых больших частиц, фиолетовые – из самых маленьких. С другой стороны Томас Юнг предполагал, что цвета соответствуют волнам различной длины, при чем в красных лучах волны самые длинные, в фиолетовых – самые короткие. Эти два объяснения представляются настолько важными, что необходимо несколько более подробно остановиться на них. В науке мы объясняем явления посредством аналогий с другими явлениями. Мы можем, поэтому, представлять себе луч света, как поток частиц, выбрасываемых источником света. Подобно пулям, выбрасываемым пулеметом. Эти частицы чрезвычайно малы, так что они могут долгое время испускаться источником света, не вызывая в нем сколько-нибудь заметной потери веса. Они распространяются по прямым линиям, что очень простои естественно объясняет прямолинейность лучей света. Частицы отражаются зеркалом подобно тому, как резиновый мяч отскакивает от пола и бильярдный шар от борта. Когда частицы ударяют в сетчатку глаза, они вызывают ощущение света. Этот способ объяснения световых явлений называется теорией истечения (или корпускулярной теорией). Ньютон в первой части своей «Оптики» говорит: «В этой книге я не намереваюсь объяснять свойства света гипотезами, но предполагаю только устанавливать их и проверять рассуждением и опытом». В соответствии с этим намерением Ньютон очень осторожен в своих утверждения, свободных. Насколько это возможно, от гипотез. Он постоянно употребляет слово «луч», мысленно представляя его себе как поток частиц, причем стекло призмы притягивает частицы луча, падающего на него, и это притяжение является причиною отклонения луча от первоначального направления; маленькие частицы притягиваются сильнее больших и испытывают. Следовательно, большее отклонение, что и является причиной образования спектра. Принимая теорию истечения, ньютон высказывал сомнения в ее верности. Он спрашивает сам себя: «Не производят ли различные лучи колебания различной частоты, которые, сообразно их частоте, вызывают ощущения различных цветов, подобно тому, как колебания воздуха вызывают ощущения различных звуков, соответствующих их частоте?» Ньютон в этом вопросе не становится на точку зрения чистой волновой теории, но предполагает компромисс – соединение теории истечения и волновой: «Световые корпускулы, ударяясь о вещество, вызывают в нем волны».

Немного великих открытий пользовались таким почетом и были оценены их современниками в такой степени, как открытия Ньютона. Когда в 1727 году в возрасте 84 лет

он скончался – он с величайшими почестями был похоронен в Вестминстерском аббатстве. В течение последних 20 лет его жизни в огромном кругу учеников и почитателей он считался непогрешимым авторитетом, и его воззрения на свет получили чрезвычайно широкое распространение.

На рубеже 19 века Томас Юнг установил принцип интерференции света, согласно которому можно, сложив свет со светом, получить темноту, то есть взаимно погасить свет. Юнг исследовал различные приложения принципа интерференции и пришел к заключению, что свет должен распространяться волновым движением. Объяснить полосы интерференции с точки зрения истечения оказалось совершенно невозможным. Он вычислил также среднюю длину волны света различных цветов. Его результаты даны в следующей таблице. Они представляют интерес, как первые определения длины световых волн, которые когда-либо были сделаны. Следует отметить, что его цифры вполне пригодны и для современного употребления:

Весь спектр можно разделить по цветовым оттенкам на две части. В одну часть входят красные, оранжевые, желтые и желто-зеленые цвета, а в другую – фиолетовые, синие, голубые и зеленые цвета. Цвета первой части спектра связываются у нас с представлением о цвете накаленных тел  - огня, поэтому их называют теплыми цветами. Цвета второй части спектра связываются у нас с цветом воды, льда, металла и называются холодными цветами.

Чем же определяется цвет окружающих нас предметов? Какой физический смысл соответствует нашим представлениям о том, что трава зеленая, цветок мака красный, а небо голубое и т.д.? Цветов предметов, окружающих нас, зависит, во-первых, от их способности отражать или пропускать падающий на них световой поток и, во-вторых, от распределения светового потока в спектре освещающего их источника света. Когда мы говорим, что поверхность имеет зеленый цвет (при освещении белым светом), то это означает, что из всей совокупности лучей, составляющих белый свет, данная поверхность отражает преимущественно зеленые лучи. Прозрачная среда (стекло, жидкость), представляющаяся нам окрашенной в зеленый цвет (при освещении белым светом), пропускает из всей совокупности лучей преимущественно зеленые лучи.  Соответственно, отраженные или пропущенные лучи воздействуют на наши глаза и у нас создается ощущение зеленого цвета. Всем известно, что окраска комнаты и находящихся в ней предметов воспринимается нами по-разному при дневном (естественном) и вечернем (искусственном) освещении, осуществляемом лампами накаливания. Причины этого – различное распределение светового потока в спектрах дневного света и лампы накаливания, наличие в спектре дневного света всех видимых излучений почти в равном количестве и почти полное отсутствие синих и фиолетовых лучей в спектре лампы накаливания. При освещении лампами накаливания красные цвета становятся более сочными, а оранжевые краснеют. При этом и красные, и оранжевые цвета становятся более светлыми. Голубые цвета зеленеют, а синие и фиолетовые несколько краснеют, приобретая при этом пурпурный оттенок, а значит – темнеют.

Все цвета, встречающиеся в природе, разделяются на ахроматические и хроматические. К ахроматическим цветам относятся белый и черный цвета, а также серый цвет, являющийся промежуточным между белым и черным цветами. Ахроматические цвета в спектре отсутствуют – они бесцветны. Хроматическими цветами являются все цвета, имеющие тот или иной цветовой оттенок. Прибавляя к спектральному свету все большее количество белого света, мы получаем множество цветов одного тона, но различных по степени разбавления их белым светом.

Длина волны спектрального цвета, который при разбавлении белым светом дает данный цвет, носит наименование цветового тона, или доминирующей длины волны. Цветовой тон обозначается греческой буквой λ_d (лямбда) с индексом и выражается в нанометрах.

Количество цветов одного и того же тона безгранично, поскольку безгранична возможность прибавления разного количества белого света к данному спектральному цвету. Из сказанного следует, что один цветовой тон не характеризует полностью цвета. Надо учесть степень его разбавления, то есть степень его белесости по отношению к спектральному цвету. В спектральных цветах нет примеси белого, они являются самыми чистыми цветами. Параметр цвета, который учитывает степень разбавления спектрального цвета белым, называют чистотой цвета и обозначают буквой ρ. Чистота цвета выражается в долях единицы или процентах. Спектральные цвета имеют чистоту цвета, равную 100%. Все ахроматические цвета имеют чистоту цвета, равную нулю.

Цветовой тон λ_d и чистота цвета ρ характеризуют качество цвета. Совокупность цветового тона и чистоты цвета, то есть качественный параметр цвета, носит название цветности. Но и цветность не характеризует цвет полностью. Для оценки цвета необходимо указывать кроме цветности и его яркость (В). То есть количественный его параметр, так как розовый цвет, например, при малых яркостях будет нам казаться цветом бордо, желтый – коричневым, а голубой – синим. Два цвета тождественны, если они имеют одинаковую цветность и одинаковую яркость.

Из множества цветов одинакового цветового тона наш глаз может отличить друг от друга лишь ограниченное их число. Для спектральных цветов разного цветового тона это число составляет от четырех (желтый цвет) до двадцати пяти (красный цвет). Наименьшее воспринимаемое глазом различие в цвете носит название порога цветоразличения.  Число таких порогов характеризует насыщенность различных цветов. Чем больше порогов цветоразличения имеет место для данного цвета от белого до спектрального, тем более насыщенным является данный цвет. Наиболее насыщенными являются красный и синий цвета. Наименее насыщенным – желтый цвет. Таким образом, не следует отождествлять насыщенность и чистоту цвета, являющихся различными понятиями.

Спектральные цвета являются самыми чистыми цветами, которые нам приходится наблюдать, так как в них отсутствует примесь белого цвета. Однако они не исчерпывают существующего в природе разнообразия цветов. В спектре нет белых, черных и серых цветов, кроме того, в спектре отсутствуют малиновый, вишневый, сиреневый и другие подобные цвета, называемые пурпурными. Полный набор, встречающихся в природе цветов, может быть получен при смешении спектральных цветов между собой в различной пропорции, а также смешением спектральных цветов с ахроматическими (белым и серым).

Под смешиванием цветов понимают явление образования новых цветов путем составления из двух или нескольких других цветов. Многочисленными опытами установлено, что некоторые пары хроматических цветов, смешанные в определенной пропорции, образуют ахроматический цвет. Два цвета, образующие при смешивании ахроматический цвет, называют дополнительными. В природе существует бесчисленное количество пар дополнительных цветов, в том числе и спектральных. Ниже ориентировочно указаны названия взаимно дополнительных цветов.

Гениальный русский ученый М.В. Ломоносов в 1856 году впервые высказал мысль о том, что в нашем глазу есть три рода светочувствительных элементов, которые по-разному реагируют на свет разного спектрального состава. Первые - чувствительны преимущественно к красному, вторые – преимущественно к зеленому, и третьи – к синему цветам. Если же в глаз попадает сложный световой поток, состоящий из ряда составляющих световых потоков разного цвета, то на него реагируют все три рода светочувствительных элементов. В зависимости от соотношения их реакции мы ощущаем результирующий цвет, соответствующий спектральному составу света, попадающему в глаз.

Эта трехцветная теория цветового зрения, которая после М.В. Ломоносова была значительно развита Юнгом и Гельмгольцем, полностью подтвердилась фактами оптического смешения цветов. В самом деле, все возможные цвета могут быть получены смешением в разных пропорциях трех взаимно независимых цветов – красного (700 нм), зеленого (546,1 нм) и синего (435,8 нм). Однако глаз человека не способен анализировать состав цвета, то есть определять без приборов из каких частей этот свет состоит.

Огромное разнообразие цветов и оттенков, воспринимаемых зрением, в нашу эпоху развитой техники и разветвленной науки порождает необходимость точной номенклатуры цвета. Это значит, что всякий цвет мы должны уметь точно назвать и обозначить, и притом так, чтобы наше обозначение  выражало его весьма детально, позволяя уверенно различать самые тонкие нюансы оттенков одного и того же цвета. Такая задача разрешается в специальном разделе экспериментальной оптики, называемом колориметрией – термин составлен из латинского корня «колор» (цвет) и греческого «метрон» (мера). Таким образом, колориметрия представляет собой искусство измерения цвета, позволяющее любой цвет выразить в виде некоторого числа или, вернее, комбинации чисел. Трехцветная колориметрическая система может быть представлена графически в виде так называемого цветового треугольника.

Основные цвета помещаются в вершинах треугольника. Цвет, получаемый при смешивании двух цветов в равных количествах, изображается равностоящей от них точкой. Дополнительные цвета – маджента, желтый и голубой (cyan) – лежат в середине сторон треугольника. Белый, который получается при сложении зеленого, синего и красного в равных количествах, изображается точкой, лежащей в центре треугольника на равном расстоянии от его углов. Спектральные цвета (красный, оранжевый, желтый, желтовато-зеленый, зеленый, голубой, синий) лежат вдоль первой и затем вдоль второй стороны треугольника. Цвета, лежащие вдоль его основания, по порядку следующие: красный, розовый, гвоздичный, маджента, пурпурный, синий. Насыщенные цвета лежат вдоль сторон треугольника, а цвета бледные – внутри, вокруг белого. Так, например, если мы будем двигаться вдоль медианы из красного угла, красный будет становиться все бледнее до тех пор, пока не перейдет в белый. Белый, при дальнейшем движении, приобретает легкий голубой оттенок, который будет становиться все более насыщенным, пока мы полностью не перейдем в синий угол. Этот треугольник, идея построения которого также принадлежит Ньютону, может служить для установления приблизительного соотношения между цветами. Поскольку в спектре белого цвета отсутствуют пурпурные цвета, то и в этом треугольнике для них нет места. Для того чтобы все реально существующие цвета, в том числе пурпурные (малиновый, вишневый, сиреневый и т.п.) лежали внутри цветового треугольника, его математически перестраивают в так называемую «цветовую диаграмму» в удобных для использования прямоугольных координатах.

Преимущество треугольника цветов в том, что он дает возможность точно описывать цвета посредством соответствующих им точек в треугольнике. Способ этот естественно гораздо точнее словесного описания, так как большинство людей плохо умеет передавать словами тонкие оттенки. Он позволяет с одного взгляда определять результат смешения любых двух цветов в какой угодно пропорции.

Надо сказать, что и при жизни и после смерти у Ньютона было много оппонентов, в том числе и такие именитые ученые, как Гюйгенс, Гук, Юнг, Френель. Их работы не опровергли, а, несомненно обогатили теорию Ньютона, но среди «оппонентов» Ньютона особенно выделяется Иоганн Гете, известный поэт. Его учение «о цветах». Появившееся в 1810 году, то есть через 150 лет после «Оптики» Ньютона, было написано со старой аристотелевской точки зрения, примером которой могут служить воззрения д-ра Барроу (см. выше). Все бы ничего, но его «учение» проникнуто большим презрением к работам Ньютона по спектру. Находясь под впечатлением, что он разрушил теорию Ньютона, Гете утверждает: «пока существовала ньютоновская теория, было невозможно написать или даже подготовить путь к написанию истории теории цветов; никогда еще аристократическое предубеждение не заставляло смотреть с такой надменной нетерпимостью сверху вниз на лиц, иначе мыслящих, чем это практиковалось в школе Ньютона, и по отношению к тому, что было сделано в оптике в прежние времена или делалось заново».

На самом деле Гете не опроверг Ньютона и не разрушил его теорию. Нам кажется, что именно он, а не Ньютон «с надменной нетерпимостью», «сверху вниз» выразил «аристократическое предубеждение» против объективной реальности, обнаруженной Ньютоном. Ньютон создал теорию, объясняющую свойства световых лучей. Это была удивительная теория, в которой считалось. Что свет состоит из частиц, сопровождаемых волнами, и которая объясняла на основе этого предвидения законы распространения света и его действия на вещество. Теперь, 250 лет спустя, наука располагает четкими доказательствами того, что свет сочетает в себе свойства и волн, и корпускул, это особая совокупность электромагнитных волн и квантов («волна-пилот» или «волновой пакет» по выражению выдающегося физика, лауреата Нобелевской премии Луи де Бройля).

Однако надо всегда помнить, что Ньютон в своих работах писал: «лучи света не являются цветными. В них нет ничего, кроме определенной способности и предрасположения вызывать у нас ощущение (выделено нами) того или иного цвета». Цвет, таким образом, не является объективной физической величиной, существующей независимо от органа зрения. Независимо от человека существует излучение, имеющее свойство, называемое цвет. Это свойство возникает только при воздействии излучения на глаз. В этом смысле, взгляд Гете на цвет, как на нечто единое целое, неразложимое, имеет право на существование в психологии и тому подобных областях науки и жизнедеятельности человека, где физическая природа света и цвета не имеет значения.