Koje je boje Mjesec?
Autor: dr Jovan Raičević
Ukoliko preuzimate tekst ili delove teksta, navedite link do ovog teksta kao izvor i ime publikacije: “Nauka u Srbiji”.
Kad je Dino Merlin 1989. pjevao „Mjesečina kô dukat žut, ti dovoljno mlada, ja dovoljno lud“, mi, tadašnji tinejdžeri, dobro smo razumjeli poruku pjesme i nismo nijednog trena dovodili u pitanje smisao njenih stihova, a ponajmanje ono najočiglednije, da je Mjesec kô dukat žut. I zaista, ima li boljeg poređenja punog Mjeseca nego sa dukatom, okruglim, sjajnim?
Vjerovatno bi se svi složili sa ovim poređenjem, osim astronauta iz Apolo programa, koji su oko njega orbitirali i na njega sletjeli, jer oni dobro znaju da Mjesec uopšte nije žut. Ali, kako mi onda vidimo da jeste? Da bismo na to odgovorili, treba odgovoriti na pitanje kako mi vidimo i šta je to uopšte svjetlost?
Vidljiva svjetlost predstavlja elektromagnetno zračenje talasne dužine između 380 i 740 nm (nanometar je milijarditi dio metra) odnosno frekvencije od 400 do 790 THz (jedan Herz označava jednu oscilaciju u sekundi, a oznaka T je simbol za prefiks tera- što označava bilion, dakle 1 THz je jedan bilion oscilacija u sekundi). Vidljiva svjetlost zapravo predstavlja samo djelić ogromnog spektra elektromagnetnog zračenja (slika 1). Što elektromagnetni talasi imaju veću frekvenciju, a samim time manju talasnu dužinu, njihova energija je veća.
Nevidljivi dio spektra
Na samom dnu ove skale energije nalaze se radiotalasi i mikrotalasi. To su talasi male frekvencije, a velike talasne dužine. Energija radiotalasa je tako mala da ne izazivaju promjene u organizmu, niti ih naša čula mogu detektovati. To je zapravo jako dobro, jer se široko primjenjuju u telekomunikacijama (radio, mobilna telefonija, satelitska komunikacija, uključujući GPS), meteorologiji, arheologiji, vojsci (radar), medicini (dijatermija) i u kućnim aparatima (mikrotalasna pećnica). Kada malo bolje razmislite, prava je sreća je što ih ne vidimo! U suprotnom bi na sve strane bliještali raznorazni uređaji i zasljepljivali nas, a prvi među njima bi bili naši mobilni telefoni.
Sljedeći u spektru elektromagnetnog zračenja su infracrveni zraci. Njihova talasna dužina je veća, a energija manja od vidljive svjetlosti, pa ih očima ne možemo vidjeti, ali ih itekako možemo osjetiti. Ovi zraci prenose toplotu (referenca 1)— oko 50 odsto sunčevog zračenja nalazi se baš u infracrvenom spektru i njemu možemo zahvaliti što živimo na rajskoj planeti. Da tog zračenja nema, Zemlja bi bila ledena kugla, vrlo vjerovatno nepogodna za život, barem ovakav kakav poznajemo. Sve što vidite i što možete nazvati „toplim” emituje ove infracrvene zrake, pa i sama ljudska bića. Ako pogledate druge ljude kroz kameru koja detektuje infracrveno zračenje, vidjećete da ti ljudi „sijaju”.
Vidljiva svjetlost
Za nas najinteresantniji dio elektromagnetnog spektra čini vidljiva svjetlost. Talasi vidljive svjetlosti imaju manju talasnu dužinu i samim time veću energiju od infracrvenog zračenja. Evolucija nam je obezbijedila sofisticirane organe za njihovu detekciju, naše oči. Ovim ćemo se detaljnije pozabaviti kasnije, a sada ćemo se vratiti upoznavanju elektromagnetnog spektra.
Sljedeću stepenicu na ovoj rastućoj skali energije elektromagnetnog zračenja čini ultraljubičasto zračenje. Ono ima kraću talasnu dužinu od vidljive svjetlosti, a njegova energija je toliko velika da može pokidati veze između atoma u molekulima i izazvati oštećenja na živim organizmima. Oko 10 odsto sunčevog zračenja nalazi se u ovom dijelu spektra i ono je upravo odgovorno za oštećenje tkiva koje izaziva opekotine nakon neopreznog izlaganja jakom ljetnjem suncu. Takođe, nakon višegodišnjeg izlaganja suncu bez zaštite, ono može dovesti i do raka kože. Srećom, atmosfera Zemlje ima ozonski omotač, koji blokira 97 do 99 procenata ultraljubičastih zraka i, da on ne postoji, život na kopnu ne bi bio moguć. Međutim, ultraljubičasti zraci imaju i jedan koristan efekat: izazivaju fotohemijsku reakciju koja u ćelijama kože dovodi do pretvaranja 7-dehidroholesterola u holekalciferol, odnosno vitamin D.
Na samom kraju elektromagnetnog spektra nalazi se zračenje najkraće talasne dužine, a najveće energije — to su X-zraci i gama-zraci. Energija ovih zraka je toliko velika da pri interakciji s materijom izazivaju jonizaciju atoma tako što izbijaju elektrone iz njihovih orbitala. Zbog toga se ovo zračenje naziva jonizujuće zračenje, a u narodu je poznato kao radijacija (što je pogrešan naziv, jer je u naučnom smislu radijacija sinonim za svako zračenje). Jonizujuće elektromagnetsko zračenje je izuzetno opasno po žive organizme i u visokoj dozi izaziva akutnu radijacionu bolest, a pri dugotrajnom izlaganju manjim dozama događaju se mutacije koje često dovode do pojave malignih oboljenja.
Bijela svjetlost i u njoj — dugine boje
Pošto smo se ukratko upoznali sa elektromagnetskim spektrom, sada ćemo se pozabaviti percepcijom vidljive svjetlosti. Kao što smo rekli, vidljivu svjetlost čini elektromagnetno zračenje talasne dužine od 340 do 780 nm i ovu mješavinu talasa različitih talasnih dužina nazivamo bijela svjetlost. Kad se bijela svjetlost propusti kroz staklenu prizmu (ili kapljice kiše) talasi svjetlosti različitih talasnih dužina se različito prelamaju iona se razlaže na spektar koji mi vidimo kao dugine boje (slika 2). Za ovo moderno tumačenje porijekla boja možemo zahvaliti genijalnom umu Isaka Njutna i njegovim revolucionarnim eksperimentima iz oblasti optike.
Optički sistem oka (rožnjača, sočivo, staklasto tijelo) usmjerava i fokusira svjetlosne zrake na mrežnjaču, tanku opnu u dnu oka, u kojoj se nalaze ćelije osjetljive na svjetlost: štapićaste ćelije (štapići) i kupaste ćelije (čepići). Ove ćelije sadrže molekule pigmenata koji su osjetljivi na svjetlost i nazivaju se opsini. Kad foton svjetlosti pogodi molekul opsina, pokreće niz biohemijskih reakcija čiji je rezultat stvaranje električnog signala. Električni signal se optičkim živcem prenosi dalje ka mozgu.
Štapićaste ćelije (prije svega raspoređene po periferiji mrežnjače) mnogo su osjetljivije na svjetlost od kupastih ćelija i imaju ulogu u opažanju pri niskom nivou osvjetljenja, kao i u detekciji pokreta, ali ne omogućavaju oštar vid. Budući da je Homo sapiens evoluirao u prirodnom okruženju u kome je svakog trenutka mogao da postane plijen nekog predatora, sposobnost štapićastih ćelija da detektuju promjene svjetlosti i sjene značila je razliku između života i smrti. Međutim, ove ćelije nemaju sposobnost razlikovanja boja, što možete provjeriti noću u mračnoj sobi. Tada možete opaziti samo obrise predmeta, eventualno razlikovati svjetlije i tamnije nijanse, ali tada ne vidite oštro i ne možete razlikovati boje. Pri niskom nivou osvjetljenja aktivne su isključivo štapićaste ćelije, dok se kupaste ćelije gotovo uopšte ne aktiviraju.
S druge strane, kupaste ćelije, koje su većinom skoncentrisane u centralnom dijelu mrežnjače (taj dio se naziva žuta mrlja), omogućavaju nam oštar vid i razlikovanje boja, ali zahtijevaju znatno viši nivo osvjetljenja nego štapićaste ćelije. Postoje tri vrste kupastih ćelija koje u sebi sadrže proteine opsine. Svaka pojedinačna ćelija proizvodi samo jednu vrstu opsina, a svaki od tih opsina je osjetljiv na svjetlost različite talasne dužine. Opsin S je najosjetljiviji na svjetlost kraćih talasnih dužina (420 nm — plava); opsin M na svjetlost srednje duge talasne dužine (530 nm — zelena); a opsin L prije svega na svjetlost veće talasne dužine (560 nm — žuto-crvena).
Kao što vidimo na slici 3, krivulje osjetljivosti ovih ćelija na svjetlost različitih talasnih dužina preklapaju se tako da svaka vidljiva svjetlost istovremeno aktivira barem dvije vrste kupastih ćelija, a nekad i sve tri. Zavisno od intenziteta aktivacije S, M i L ćelija, mozak dobija informaciju o talasnoj dužini svjetlosti koja je osvijetlila mrežnjaču i tu informaciju interpretira kao boju. Npr., ako na mrežnjaču dospije svjetlost talasne dužine 500 nm, na dijagramu (slika 3) vidimo da ona aktivira oko 15 odsto S ćelija, oko 30 odsto M i oko 50 odsto L kupastih ćelija, što naš mozak interpretira kao tirkiznu boju.
Postojanost boja i postojanost osvjetljenja
Međutim, suština percepcije boja još je složenija. Primarni vizuelni centar se nalazi u moždanoj kori potiljačnog režnja i povezan je sa tzv. asocijativnom regijama mozga, koje omogućavaju da se čulna opažanja povežu međusobno, kao i sa ranijim iskustvima i doživljajima. Sve to zajedno učestvuje u našoj interpretaciji fizičke realnosti koja nas okružuje, ali percepciju boja čini izrazito subjektivnom. Zato je teško da se svi složimo da li su teniske loptice zelene ili žute.
Jedna od fizioloških pojava koja nam omogućava da pravilno tumačimo svijet oko sebe je tzv. postojanost boja. Zelena jabuka je zelena i u podne, kad je osvjetljava bijela svjetlost, kao i u suton, kad je osvjetljava dominantno crvena svjetlost, iako svjetlost koja se odbija od jabuke u ova dva slučaja nije spektralno identična i ne nadražuje jednako tri vrste kupastih ćelija u našoj mrežnjači. Ipak, naš mozak zna da je zelena jabuka zelena, pa interpretaciju boje usklađuje s tim prethodnim iskustvom.
Međutim, ista ova pojava koja nam omogućava postojan doživljaj stvarnosti čini nas sklonima optičkim iluzijama. Uzmimo, na primjer, ovu čuvenu iluziju sa sjenkom na šahovskoj tabli (slika 4).
Koliko god nevjerovatno zvučalo, polje A i polje B su identične boje odnosno nivoa osvjetljenosti. To se može dokazati npr. kad se ova dva polja povežu pravougaonikom iste boje (slika 5). Ovo možete i sami provjeriti, samo odštampajte sliku 4 i izrežite polja A i B pa ih stavite jedno do drugoga. Da li je to magija? Ne, to je fiziologija.
Ali, kako to da onda naš mozak ova dva polja iste boje ne doživljava identično?
Za to je odgovorna pojava poznata kao postojanost osvjetljenja, koja nam omogućava da percipiramo sjenke i razlikujemo jako osvijetljene tamne objekte od slabije osvijetljenih objekata svjetlije nijanse. U ovoj optičkoj iluziji sjenka zapravo ne postoji, ali pošto je polje B okruženo tamnijim poljima, a cilindar svjetlije osjenčen s desne strane tako da se stiče utisak da je sa te strane izvor svjetlosti, naš mozak, poučen iskustvima iz stvarnog svijeta, to shvata kao sjenku cilindra, pa polje B interpretira kao svjetlije polje u sjenci, a polje A kao tamnije polje izloženo jakom osvjetljenju.
A sada pogledajte ovu fotografiju dole (slika 6). Načinio ju je satelit DSCOVR, koji orbitira oko Zemlje na udaljenosti od oko milion i po kilometara (što je otprilike tri puta dalje od Mjesečeve orbite (referenca 3)). Na fotografiji se vidi Mjesec kako prolazi ispred Zemlje i na njoj se jasno primjećuje razlika u boji između ova dva nebeska tijela: dok je Zemlja blistava plavo-bijela kugla, Mjesec je jednolične, asfaltnosive boje. Albedo (astronomski termin koji označava procenat sunčeve svjetlosti koji neko nebesko tijelo odražava u svemir) Mjeseca u vidljivom spektru je 0,12. To znači da je Mjesec reflektuje samo 12 odsto svjetlosti koja na njega padne.
Ovaj kontrast prema tamnom nebu čini da Mjesec izgleda svjetliji nego što jeste, a žuta boja je posljedica rasijavanja reflektovane sunčeve svjetlosti u atmosferi Zemlje. Sunce je bijela zvijezda (to možete provjeriti na fotografijama napravljenim iz svemira, recimo sa Međunarodne svemirske stanice — slika 7). Nama na Zemlji Mjesec izgleda žuto zbog toga što Zemljina atmosfera više rasijava svjetlost kraćih talasnih dužina (ljubičasta, plava), a manje onu većih (žuta, crvena).
Iz tog razloga, kad pogledamo u Sunce, na naše mrežnjače pada više zrakova veće talasne dužine, pa nam stoga ono u podne izgleda žuto, a na zalasku crveno, jer sunčevi zraci pred zalazak prolaze kroz deblji sloj atmosfere pa se rasijavaju svi zraci osim onih najveće talasne dužine (slika 8).
Kao što vidimo, glavni razlozi zbog kojih Dino Merlin pjeva: „mjesečina kô dukat žut“, a ne „… kô asfalt siv“ jeste to što naš mozak poredi osvijetljenost Mjeseca sa okolnim tamnim nebom i pripisuje mu veću blistavost nego što on realno ima, a rasijavanje reflektovane Sunčeve svjetlosti u atmosferi Zemlje čini da naše oko prima više zraka većih talasnih dužina, što Mjesec čini žutim. Sada, kada znate detalje, nadamo se da vam ova priča iz nauke neće pokvariti romantiku pjesme 😉.
Ova mala sinteza fizike, astronomije i fiziologije mogla bi nas naučiti jednu važnu životnu lekciju. Kao bića koja su produkt četiri milijarde godina evolucije, fiziološki smo sazdani tako da naša čula mnoge informacije iz okoline automatski obrađuju, bez upliva svijesti. Tako će u našim očima polje A na šahovskoj tabli uvijek biti tamnije od polja B, ma koliko se svjesno trudili da vidimo drugačije, a Mjesec će (srećom) uvijek biti kô dukat žut. To, između ostalog, znači da naše čulno opažanje stvarnosti nije nimalo objektivno, već je i na podsvjesnom nivou subjektivno, pa izreka: „ne vjerujem dok ne vidim svojim očima“ zapravo ne govori o pouzdanom načinu utvrđivanja objektivne realnosti. Srećom, tokom svog civilizacijskog napretka, čovjek je razvio jedan odličan način za otkrivanje objektivne stvarnosti, takozvani naučni metod. A kako to funkcioniše, to je već priča za neki drugi put.
Reference
(1) https://m.facebook.com/story.php?story_fbid=10217947281173263&id=1221734546
(2) Jelena Kalinić je napisala divan tekst o Njutnovim eksperimentima https://quantumofjk.blogspot.com/.../ko-gleda-taj-vidi...
(3) Timelapse film napravljen od fotografija sa satelita DSCOVR https://www.nasa.gov/.../image/dscovrepicmoontransitfull.gif
Ovaj tekst je autorski, namenjen informisanju šire javnosti o naučnim, dokumentovanim otkrićima i istraživanjima. Tekst nije sponzorisan niti potpomognut na bilo koji način od neke organizacije, individue ili korporacije.
Uredništvo i formatiranje teksta: Ketworks, lektura Dušica Božović.
