James Clerk Maxwell onderzocht al in zijn tienerjaren licht- en kleurfenomenen. Als student betrok hij bij dit onderzoek het zintuiglijk proces van zien en de beleving van kleur. Zijn ontdekkingen spelen een grote rol bij kleurenfotografie en beeldschermkleuren.
Geleerden en straatnamen in de Watergraafsmeer – deel 30
Robert van Andel | Beeld Henk Pouw
De Maxwellstraat dankt zijn naam aan de Schotse natuur- en wiskundige James Clerk Maxwell (1831-1879). De straataanleg vond plaats in de wederopbouw na de Tweede Wereldoorlog. De auto kreeg veel ruimte. Aan de ene zijde bevinden zich de afgeschutte achtertuintjes van Jeruzalem woningen en aan de andere zijde blokjes eengezinshuizen met daartussen lange rijen garageboxen.
Wit of bruin
Midden 19de eeuw, tijdens Maxwells opleiding, en anderhalve eeuw na de publicatie van Isaac Newtons ‘Principia Mathematica’ (1687) en ‘Opticks’ (1704), hadden Newtons drie bewegingswetten en zijn zwaartekrachtswet een onaantastbare status. We leren er nog steeds over op de middelbare school. Maar Newtons ontdekkingen over licht en kleur hadden die status minder. Het bleef onbeslist of licht uit deeltjes bestaat, zoals Newton stelde, dan wel een golfkarakter heeft, waar Christiaan Huygens’ Traité de la lumière (1690) argumenten voor gaf. Daarnaast riep Newtons kleuronderzoek een tegenstrijdigheid op. Immers het weer samenbrengen van de ‘zeven’ regenboogkleuren leidt tot wit licht, terwijl schilders die pigmenten mengen met rood, blauw en geel als primaire kleuren nooit wit krijgen. Bovendien was bruin als kleur ook voor Newton problematisch omdat de regenboog geen bruin te zien geeft.
Licht en kleur bij Newton
Newton analyseerde proefondervindelijk het tegenintuïtieve, samengestelde karakter van helder ‘wit’ zonlicht op drie manieren.
1) met een zonlichtstraal in een verder verduisterde kamer door een prisma voor kleursplitsing en een lens voor weer samenvoegen van de regenboogkleuren tot opnieuw wit licht,
2) met de Newtonschijf, een met helder ‘wit’ licht beschenen snel ronddraaiende schijf in de regenboogkleuren die verrassenderwijs wit waargenomen wordt en
3) met een tweede prisma voor het niet-splitsbare karakter van een lichtstraal in een regenboogkleur.
Newton verklaarde de kleur van met helder ‘wit’ licht beschenen objecten uit weerkaatsing van een eensoortig deel van het opvallende licht terwijl de andere delen van het opvallende licht door het object geabsorbeerd worden. Kleurwaarneming bij Newton komt voort uit een eensoortige prikkel van de zichtzenuw.
Als adolescent speelde James Maxwell de experimenten van Newton na, maar ook die van Thomas Young (1773-1829). Young was een Engelse arts / natuurwetenschapper en ook beroemd als egyptoloog. Rond 1800, een eeuw na Newton en een halve eeuw voor Maxwell, had Young licht- en kleuronderzoek verricht en hiervan verslag gedaan bij The Royal Society te Londen. Hij beschreef lichtproeven met fraaie bandpatronen / interferentie en theoretische argumenten voor het golfkarakter van licht. Hij verklaarde de kleuren in zeepbellen vanuit licht als golfverschijnsel. Uit zijn waarnemingen berekende hij de golflengten van de verschillende regenboogkleuren en stelde ook als eerste dat de golfbeweging van licht loodrecht op de voortplantingsrichting ervan staat. In Engeland begreep men niet dat Young inging tegen Newton, maar in Frankrijk bevestigden onderzoekers zijn visie.
Oogspiegel
De arts Young had belangstelling voor de werking van het oog en de ooglens. Hij analyseerde lensafwijkingen: bijziendheid, verziendheid en astigmatisme. Ook had hij belangstelling voor het zintuiglijke proces van een op het netvlies geprojecteerd beeld tot de beleving van de buitenwereld met kleursensaties. Door patiënten met verschillende vormen van kleurenblindheid kwam hij op de gedachte dat het oog met drie verschillende receptoren alle kleuren kan waarnemen. De Duitse arts en natuurkundige Hermann von Helmholz (1821-1894), vernoemd in de Helmholzstraat, leverde experimenteel steun aan dit concept. Deze trichromatische kleurreceptie staat bekend als de Young-Helmholz theorie. Deze theorie vormde voor de jonge Maxwell de hypothese bij zijn onderzoek naar het waarnemen van kleur.
Waren de kleuren in zeepbellen golven?
Maxwell ontwikkelde voor zijn onderzoek eerst een instrument waarmee de binnenzijde van het oog, het netvlies, te inspecteren is. Hij inspecteerde zo het netvlies van bevriende medestudenten en honden. Ook Von Helmholz ontwikkelde een oogspiegel en later bleek dat hij daarmee Maxwell voor was geweest.
Rondspinnen
Dat kleuren verdwijnen naar helder ‘wit’ licht bij samenbrengen van de regenbooglichtstralen, maar dat pigmenten mengen geen wit tevoorschijn brengt ging Maxwells onderzoek bepalen. Hij ontwikkelde zijn ‘colour top’, een rondspinnende schijf met kleursegmenten die hij kon aanpassen naar kleur en grootte. Dit instrument leek op de rondspinnende Newtonschijf, maar die kende alleen gelijke segmenten in de regenboogkleuren. Maxwell begon met het aanbrengen van de drie primaire kleuren rood, geel en blauw ieder op een deel van zijn draaischijf over wisselende oppervlakken. Hoe hij de grootte van de kleurvlakken ook varieerde, het rondspinnen van de schijf gaf geen waarneming van wit. Vervolgens experimenteerde hij met slechts twee van de drie kleuren. Bij blauw en geel leverde rondspinnen geen groen op zoals bij verf mengen, maar dof roze. Er moest dus een fundamenteel verschil zijn in de waarneming tussen licht dat weerkaatst wordt vanaf een oppervlak dat bedekt is met gemengde pigmenten en licht dat weerkaatst wordt vanaf een snel ronddraaiende schijf met kleurvlakken in verschillende kleuren.
Kleurentelevisie
Maxwell redeneerde dat bij gemengde pigmenten de kleurindruk gewekt wordt door het licht dat weerkaatst wordt, dus dat door geen van de pigmenten geabsorbeerd wordt. Het geabsorbeerde weggevangen licht bereikt het oog dus niet! En verder dat bij weerkaatste kleuren van de kleurvlakken van de colour top het oog wel alle onderscheiden kleurprikkels binnen krijgt die zintuiglijk worden gecombineerd. Maxwells verbluffende mathematische analyse komt hierop neer: het eerste proces bestaat uit aftrekken en het tweede bestaat uit optellen en dat verklaart het verschil in kleurwaarneming!
De garageboxdeuren in rood, groen of blauw!
Maxwell richtte nu zijn onderzoek met de colour top naar welke combinatie van kleurenvlakken via de receptoren van het oog tot helder ‘wit’ leiden en vervolgens naar welke als regenboogkleur of nog weer anders, zoals bruin, waargenomen worden. Met eindeloos experimenteren vond hij dat met kleurvlakken in wisselende grootte van rood, groen en blauw de sensaties van een volledig kleurengamma gewekt kan worden. De techniek van kleurentelevisie met rode, groene en blauwe lichtbronnen is op Maxwells inzicht gebaseerd.
Voorstel garageboxen
In de tweede helft van de 20ste eeuw is onomstotelijk vastgesteld dat het netvlies drie soorten kegelvormige cellen voor kleurwaarneming heeft naast de staafvormige cellen voor zien in duisternis. Ieder type kegelcel heeft een molecuul waarvan de grootste prikkelbaarheid bij een andere golflengte en dus bij een andere kleurwaarneming hoort, respectievelijk in het rode, groene en blauwe bereik.
Kleur in de geest van Maxwells natuurwetenschappelijk onderzoek toont de Maxwellstraat nu nog niet. Zou het niet mooi zijn als er een kleurproject komt voor de Maxwellstraat? De garageboxdeuren, grotendeels van de huizen aan het Darwinplantsoen, in rood, groen of blauw!
Rectificatie
In de aflevering ‘Het raadsel kleur en Newton’ werd ten onrechte een extra c getypt in de naam Clerk Maxwell en werd Newtons boek Opticks zonder k geschreven. Met dank aan kritische lezers.
