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07 agosto 2018

¿Por qué el arcoíris tiene 7 colores?

Astronomía
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El color como un concepto físico

Tanto la luz visible, el calor, las ondas de radio, así como otros tipos de radiación tienen la misma naturaleza física, estando constituidas por un flujo de partículas denominadas fotones. El fotón o “cuanto de luz” fue propuesto por Einstein, por lo que le fue concedido el premio Nobel en 1921 y constituye una de las partículas elementales del modelo estándar, perteneciente a la familia de los bosones. La característica fundamental de un fotón es su capacidad de transferir energía de forma cuantizada, la cual está determinada por su frecuencia, de acuerdo a la expresión E=h∙n , siendo h la constante de Planck y n la frecuencia del fotón.

Un arcoíris es un fenómeno óptico y meteorológico que consiste en la aparición en el cielo de un arco de luz multicolor, originado por la descomposición de la luz solar en el espectro visible / Imagen: pixabay

Espectro electromagnético / Imagen: autor

Así, podemos encontrar fotones de frecuencias muy bajas situados en la banda de las ondas de radio, hasta fotones de muy alta energía denominados rayos gamma, tal como muestra la figura siguiente, formando un banda continua de frecuencias que constituye el espectro electromagnético. Puesto que el fotón puede ser modelado como una sinusoide que viaja a la velocidad de la luz c, la longitud de un ciclo completo se denomina longitud de onda del fotón l, por lo que el fotón puede ser caracterizado indistintamente por su frecuencia o por su longitud de onda, ya que l=c/n. Pero es común utilizar el término color como sinónimo de la frecuencia, ya que el color de la luz percibido por los humanos es función de la frecuencia. Sin embargo, como vamos a ver esto no es estrictamente algo físico sino una consecuencia del proceso de medida e interpretación de la información, que hace que el color sea una realidad emergente de otra realidad subyacente, sustentada por la realidad física de la radiación electromagnética.

Estructura de una onda electromagnética / Imagen: autor

Pero antes de abordar este tema, se debe considerar que para detectar de forma eficiente los fotones es necesario disponer de un detector denominado antena,  cuyo tamaño debe ser similar a longitud de onda de los fotones.

La percepción de color por los humanos

El ojo humano es sensible a longitudes de onda que van desde el rojo profundo (700nm, nanómetros=10-9 metros) hasta el violeta (400nm).  ¡Lo que requiere antenas receptoras con un tamaño del orden de los cientos de nanómetros! Pero para la naturaleza esto no es un gran problema, ya que las moléculas complejas pueden tener fácilmente este tamaño. De hecho, el ojo humano, para la visión cromática, está dotado de tres tipos de proteínas fotorreceptoras, las cuales producen una respuesta como la indicada en la figura siguiente.

Respuesta de las células fotorreceptoras de la retina humana / Imagen: autor

Cada uno de estos tipos configura en la retina un tipo de célula fotoreceptora, que por su morfología se denominan conos. Las proteínas fotorreceptoras están situadas en la membrana celular, de tal forma que cuando absorben un fotón cambian de forma, abriendo unos canales en la membrana celular que genera un flujo de iones. Después de un complejo proceso bioquímico se produce un flujo de impulsos nerviosos que es preprocesado por varias capas de neuronas de la retina y que finalmente alcanzan la corteza visual a través del nervio óptico, donde la información es finalmente procesada.

Si bien el arcoíris es un gradiente continuo de colores espectrales, se considera que estos pueden definirse en siete colores fundamentales: rojo, naranja, amarillo, verde, cian, azul y violeta, los cuales equivalen a los mencionados por el científico Isaac Newton en 1704 / Imagen: pixabay

Pero en este contexto, la cuestión es que las células de la retina no mide la longitud de onda de los fotones del estímulo. Por el contrario, lo que hacen es convertir un estímulo de una determinada longitud de onda en tres parámetros denominados L,M,S, que son la respuesta al estímulo de cada uno de los tipos de células fotoreceptoras. Esto tiene implicaciones muy interesantes que deben ser analizadas. De esta forma, podemos explicar aspectos tales como:

  • La razón de por qué el arcoíris tiene 7 colores.
  • La posibilidad de sintetizar el color mediante mezcla aditiva y substractiva.
  • La existencia de colores no físicos, como el blanco y el magenta.
  • La existencia de diferentes modalidades de interpretación del color en función de la especie.

Para entender esto, imaginemos que nos proporcionan la respuesta de un sistema de medida que relaciona L,M,S con la longitud de onda y nos piden que establezcamos una correlación entre ellas. Lo primero que podemos ver es que existen 7 zonas diferenciadas en la longitud de onda, 3 crestas y 4 valles. ¡7 patrones! Esto explica por qué percibimos el arcoíris compuesto por 7 colores, una realidad emergente consecuencia del procesado de información que trasciende a la realidad física.

¿Pero qué respuesta nos dará un ave si le preguntamos por el número de colores del arcoíris? ¡Posiblemente, aunque poco probable, nos dirá 9! Esto es debido a que las aves disponen de un cuarto tipo de fotorreceptor posicionado en el ultravioleta, por lo que el sistema de percepción establecerá 9 regiones en la banda de percepción de la radiación. Y esto nos lleva a preguntarnos: ¿Cuál será la gama cromática percibida por nuestra hipotética ave, o por especies que sólo dispones de un único tipo de fotorreceptor? ¡El resultado es un simple caso de combinatoria!

Por otra parte, la existencia de tres tipos de fotorreceptores en la retina de los humanos hace posible sintetizar de forma relativamente precisa la gama cromática, mediante la combinación aditiva de tres colores, rojo, verde y azul, tal como se realiza en las pantallas de video. / Imagen: pixabay

De forma análoga, es posible sintetizar el color mediante mezcla substractiva o pigmentaria de tres colores, magenta, cian y amarillo, como ocurre en la pintura al oleo o en las impresoras. Y aquí es donde se pone claramente de manifiesto la virtualidad del color, al no existir fotones de color magenta, ya que este estímulo es una mezcla de fotones de color azul y rojo. Lo mismo ocurre con el color blanco, al no existir fotones individuales que produzcan dicho estímulo, ya que el blanco es la percepción de una mezcla de fotones distribuidos en la banda visible, y en particular por la mezcla de fotones de color rojo, verde y azul.

En definitiva, la percepción del color es un claro ejemplo de cómo emerge la realidad como consecuencia del procesado de información. Así, podemos ver  como una determinada interpretación de la información física del espectro electromagnético visible produce una realidad emergente, a partir de una realidad subyacente mucho más compleja.

En este sentido, podríamos preguntarnos qué opinaría un androide, dotado de un preciso sistema de medida de la longitud de onda, sobre las imágenes que sintetizamos en la pintura o en las pantallas de vídeo. Con seguridad nos respondería que no corresponden con las imágenes originales, algo que para nosotros es prácticamente imperceptible. Y esto conecta con un tema, que puede parecer no relacionado, como es el concepto de la belleza y la estética. Lo cierto es que cuando no somos capaces de establecer patrones o categorías en la información percibimos ésta como ruido o desorden.  ¡Algo desagradable o antiestético!

José Pozas

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