ท้องฟ้าสีฟ้า พระอาทิตย์สีเหลือง และสารพัดเรื่องสี

ชื่อมันก็บอกอยู่แล้วว่าท้องฟ้ามันก็ต้องสีฟ้า แต่สีนี้มันมาจากไหนล่ะ หายใจเข้าไปไม่เห็นมีสีติดจมูกเลย

ชื่อมันก็บอกอยู่แล้วว่าท้องฟ้ามันก็ต้องสีฟ้า แต่สีนี้มันมาจากไหนล่ะ หายใจเข้าไปไม่เห็นมีสีติดจมูกเลย
แล้วพระอาทิตย์ล่ะสีเหลืองด้วยหรือเปล่า ถ้าเป็นอย่างนั้นทำไมกระดาษสีขาวถึงเห็นเป็นสีขาวแทนที่จะเป็นสีเหลืองล่ะ
ที่เป็นอย่างนี้ก็เพราะตัวท้องฟ้าเองไม่ได้มีสีฟ้าและดวงอาทิตย์ก็ไม่ได้สีเหลือง สีพวกนี้มาจากไหน เราต้องไปเริ่มกันตั้งแต่จุดกำเนิด

สีรุ้งบนสเกลดีดอเรียน

แสงอาทิตย์สีขาวที่เราเห็นแท้จริงแล้วประกอบจากหลายสี หลายคนน่าจะจำการทดลองที่เรียนตอนเด็กๆ ได้ว่าเมื่อแสงส่องผ่านปริซึมแล้วจะแสดงแถบสีรุ้งออกมาให้เห็น ส่วนที่ผมจำได้เป็นพิเศษคือ แค่อาจารย์เน้นคำว่า “ปริ” กับ “ซึม” ทั้งห้องก็หัวเราะคิกคักกันใหญ่ เด็กๆ นี่ขำง่ายจริงๆ ซึ่งผู้ค้นพบเรื่องนี้ก็ไม่ใช่ใครที่ไหน แต่เป็นเซอร์ไอแซคนิวตันเจ้าของกฎแรงโน้มถ่วง กฎการเคลื่อนที่ และทฤษฎีแคลคูลัสนั่นเอง

ที่มา: https://commons.wikimedia.org

ก่อนหน้านั้นผู้คนต่างเชื่อว่าแสงอาทิตย์นั้นมีสีขาว ส่วนสีต่างๆ ที่เห็นในโลกล้วนถูกแต่งเติมลงไปเวลาแสงอาทิตย์ส่องผ่านสิ่งของต่างๆ ทั้งสิ้น ซึ่งถ้าคิดตามตรรกะนี้ ก็เป็นไปได้ว่าปริซึมเองเป็นตัวเติมสีเข้าไปในแสง แต่ด้วยความที่เป็นนิวตัน เขาเลยทำการทดลองต่อเพื่อรวมสีรุ้งกลับมาเป็นสีขาวอีกทีเพื่อแสดงให้เห็นจะจะว่าสีต่างๆ นั้นมาจากแสงจริงๆ

 แสงที่ปริซึมหักเหออกมานั้นเป็นช่วงสีต่อเนื่อง ซึ่งนิวตันก็ได้แบ่งให้เสร็จสรรพว่าเป็น 7 สี ถ้าถามว่าทำไม 7 ล่ะก็ คำตอบคือ นิวตันชอบเลข 7 เพราะดูลี้ลับดี แน่นอนว่าในช่วงทศวรรษ 1660 วิทยาศาสตร์ยังคลุมเครืออยู่ไม่น้อย (ขนาดสมัยนี้เราก็ยังบ้าเลขมงคลกันอยู่) นอกจากนั้นในหนังสือ Opticks ของเขาที่ออกในปี 1704 ของเขายังเชื่อมโยงสีทั้ง 7 กับโน้ตดนตรีด้วย (สำหรับคนที่จำเป็นต้องรู้เหมือนผม นิวตันใช้สเกล D Dorian)

วงล้อสีของนิวตัน ที่มา :  https://commons.wikimedia.org/

ตอนนี้ก็เราพร้อมจะคุยกันเรื่องท้องฟ้าละ

ท้องฟ้าสีฟ้า พระอาทิตย์สีเหลือง

ท้องฟ้าจริงๆ แล้วไม่มีสี แต่ที่เราเห็นเป็นสีฟ้าก็เพราะเมื่อแสงจากดวงอาทิตย์ส่องผ่านชั้นบรรยากาศลงมาแล้วไปโดนอนุภาคเล็กๆ (เล็กกว่าความยาวคลื่นแสงมาก) อย่างโมเลกุลไนโตรเจนและออกซิเจน แสงก็จะเกิดการกระเจิงแบบเรเลห์ (Rayleigh scattering) แสงที่กระเจิงนั้น กระเจิงทุกทิศทาง กระเจิงทุกเฉดสี แต่สีที่มีความยาวคลื่นต่ำอย่างสีม่วงและน้ำเงินจะกระเจิงมากเป็นพิเศษ มากกว่าสีแดงเกือบ 10 เท่า (การกระเจิงแปรผกผันกับความยาวคลื่นยกกำลังสี่) โดยการกระเจิงแบบเรเลห์ส่วนมากจะเกิดที่ชั้นบรรยากาศระดับสูงที่อากาศมีความหนาแน่นต่ำ (อากาศใกล้ผิวโลกหนาแน่นเกินไปทำให้แสงกระเจิงไม่ได้) พอสีต่างๆ กระเจิงในท้องฟ้า ท้องฟ้าก็เลยมีสีขาวอมฟ้า บดบังไม่ให้เราเห็นดวงดาวในเวลากลางวัน แต่ถ้าเราขึ้นจรวดทะลุชั้นบรรยากาศไปได้ (ประมาณ 100 กิโลเมตร) ก็จะเห็นอวกาศที่มีฉากหลังเป็นสีดำเหมือนในทีวี

หลายคนอาจสงสัยต่อว่า ถ้าเป็นอย่างนี้แล้วทำไมท้องฟ้าถึงไม่เป็นสีม่วงล่ะ สีม่วงมีความยาวคลื่นสั้นกว่าสีน้ำเงินเสียอีก เรื่องนี้มีหลายสาเหตุ สีม่วงที่อยู่ในสีรุ้งนั้นไม่ได้ม่วงแบบม่วงอมแดงอย่างที่เรานึกในหัว (ออกไปทางน้ำเงินเข้มมากกว่า) และก็ไม่ได้มีสัดส่วนอยู่มาก นอกจากนั้นตาเรายังไม่ค่อยไวกับสีม่วงแบบนี้อีกด้วย นั่นเลยทำให้ท้องฟ้าเป็นสีฟ้าอย่างที่เราเห็น และเพราะแสงสีน้ำเงินถูกกระเจิงไปเยอะแล้ว เราก็เลยเห็นดวงอาทิตย์เป็นสีที่เหลืออยู่ ซึ่งก็คือสีแดงและสีเหลือง

คราวนี้สังเกตไหมครับว่า ท้องฟ้าบางทีก็สีฟ้าอ่อน บางทีก็ฟ้าเข้ม ดวงอาทิตย์บางทีก็สีเหลืองอ่อนเกือบจะขาว บางที่ก็แดงจัด สีของท้องฟ้าและดวงอาทิตย์จะเข้มเป็นพิเศษช่วงพระอาทิตย์ขึ้นและพระอาทิตย์ตก ที่เป็นอย่างนี้ก็เพราะตำแหน่งของดวงอาทิตย์ในเวลานั้นๆ จะอยู่ต่ำใกล้เส้นขอบฟ้า ทำให้แสงต้องเดินทางผ่านชั้นบรรยายกาศเป็นระยะทางไกลขึ้น และเกิดการกระเจิงแบบเรเลห์มากขึ้นตามไปด้วยนั่นเอง (ดูรูปด้านล่าง)

ที่มา : https://eimai.org/youth-shift-the-blog

แม่สีแสง และแม่สีเม็ดสี

พอพูดถึงเรื่องแสงและสีแล้ว หลายคนคงสังเกตว่าที่จอคอมพิวเตอร์จะให้เราปรับแต่งโทนสีด้วยแม่สีแสง RGB 3 สี คือ แดง เขียว น้ำเงิน ซึ่งแม่สีแสงทั้งสามนี้พอผสมกันแล้ว จะทำให้เกิดสีขาว แต่มีเคยสงสัยไหมครับว่าทำไมต้องเป็นเจ้าสามสีนี้

คำถามนี้วิชาฟิสิกส์ช่วยตอบไม่ได้ ต้องใช้วิชาชีววิทยา

ตาของเราจะมีเซลล์รูปโคนไว้แยกแยะสีต่างๆ ซึ่งเซลล์โคนพวกนี้มีด้วยกันสามชนิด เอาไว้รับสีแดง (ประมาณ 60% ของเซลล์โคนทั้งหมด) สีเขียว (30%) และสีน้ำเงิน (10%) ซึ่งโคนพวกนี้นอกจากจะรับสีต่างๆ ที่ว่าได้แล้ว ยังรับสีข้างเคียงได้ด้วย อย่างเวลาเราเห็นสีเหลือง ทั้งโคนที่รับสีแดงและสีเขียวก็จะทำงานทั้งคู่

คราวนี้พอหน้าจอคอมหรือสมาร์ทโฟนแสดงสีแดง เขียว และน้ำเงิน ในสัดส่วนพอเหมาะ โคนทั้งสามชนิดก็จะทำงาน บอก (หลอก) สมองเราว่า อ่า…มีครบทุกสีแล้ว เห็นเป็นสีขาวได้

ความรู้ความเข้าใจตรงนี้ทำให้เกิดแม่สีเม็ดสี CMY ที่ใช้กับงานพิมพ์ ที่ประกอบด้วย ฟ้าอมเขียว (cyan) แดงอมม่วง (magenta) และเหลือง (yellow) ซึ่งพอรวมกันแล้วจะทำให้เกิดสีดำ

ถึงตอนนี้หลายคงอาจงงว่าแม่สีแสงกับแม่สีเม็ดสีนั้นเกี่ยวข้องกันยังไง และยิ่งสงสัยว่าทำไมแม่สีแสงถึงรวมกันแล้วได้สีขาวแต่แม่สีเม็ดสีรวมกันแล้วได้สีดำ ที่เป็นอย่างนี้ก็เพราะว่าสีของแสงทำงานแบบบวกเพิ่ม (additive) แต่สีของเม็ดสีทำงานแบบหักออก (subtractive) อย่างเช่น เวลาเราระบายสีเหลือง เม็ดสีเหลืองจะดูดแสงสีน้ำเงินไว้ เหลือให้แต่แสงสีอื่นๆ สะท้อนเข้าตาเรา เราเลยเห็นเป็นสีเหลือง (ลองดูในภาพแม่สีแสงด้านล่างจะเห็นสีเหลืองอยู่ตรงข้ามกับสีน้ำเงิน) ในทำนองเดียวกัน เม็ดสีแดงอมม่วงก็ดูดแสงสีเขียว และเม็ดสีฟ้าอมเขียวก็ดูดแสงสีแดง (แม่สี CMY ก็คือสีตรงข้ามของแม่สีแสง RGB นั่นเอง) ทีนี้พอเราผสมกันทุกเม็ดสี แสงทุกสีก็เลยถูกดูดเอาไว้หมด เราเลยเห็นเป็นสีดำ

แม่สีแสง (ซ้าย) แม่สีเม็ดสี (ขวา) ที่มา : https://www.edn.com/

อ้าว…แล้ว แม่สีแดง เหลือง น้ำเงิน ที่เรียนในวิชาศิลปะล่ะ เป็นไงมาไง

คำตอบก็คือ ถึงแม้จะผสมออกมาได้หลายเฉดสี แต่ก็ไม่ดีเทียบเท่าแม่สี CMY และแม่สีอย่างสีแดงก็ไม่ได้บริสุทธิ์แยกย่อยไม่ได้อย่างที่หลายคนเข้าใจ เพราะเราสามารถผสมสีแดงอมม่วงกับเหลืองทำให้เกิดสีแดงได้

ที่เราใช้แม่สี แดง เหลือง น้ำเงิน ในวิชาศิลปะ จริงๆ แล้วเป็นเพราะได้รับการสอนต่อๆ กันมา ตั้งแต่ก่อนหน้าที่เราจะมีความรู้ความเข้าใจวิทยาศาสตร์ และทฤษฎีสีที่ถูกพัฒนาต่อยอดก็ฝังรากลึกจนยากที่จะถอน

ผู้เขียน : พรพุฒิ สุริยะมงคล

อ้างอิง

[1] https://library.si.edu/exhibition/color-in-a-new-light/science
[2] https://www.wtamu.edu/~cbaird/sq/2015/01/22/
[3] https://www.youtube.com/watch?v=4HBuHX4-VU8
[4] https://www.youtube.com/watch?v=uucYGK_Ymp0
[5] https://www.youtube.com/watch?v=_ElAuQyw4uA
[6] https://fb.watch/cUuS9ot47g/
[7] https://fb.watch/cUuTtvVSHu/