色と波長の関係について

質問

可視光線の色は波長に依存するらしいですが、なんか釈然としません。
光が波動であることはヤングの実験から確かめられ、白色光がいろいろな色の光の集合体であることは、プリズムによる光の分散の実験で確かめられることは理解できます。しかし、なぜ色は波長によって決まるといえるのかがわかりません。他にも振動数なども考えられると思うのですが。初歩的な質問ですがよろしくお願いします。

回答No.11

hg3 · ベストアンサー

「色は光の性質ではなく、物体の表面の特性」？？
かなり本格的に勘違いしているようで。

いろいろ説明していますが、どれも、「物体の表面の特性によって、反射したり吸収したりする光が違うので、物体の表面から届く光の特性も異なる」ということが分かれば説明できるのでは。

人間の目は「物体の表面の特性」を感じているのでなく、あくまでもそこから目に届くの光を感じ、色や明るさといった感覚を引き起こすのですよね。No10の回答者さん自身もそのように説明しているではありませんか。

赤いリンゴは、真っ暗闇なら黒、というか見えない。なぜなら、リンゴの表面から光が届かないから。表面の特性は明るい時でも真っ暗闇でも変わりません。でも人間の目には、明るい時と真っ暗闇では、色を含めて見え方が違うでしょ。それは、リンゴの表面から届く光の性質（この場合は光の強度）が変わるからですよね。
もし、物体の表面の特性を直接感じることができるなら真っ暗闇でも、物が見える、色が分かるということになりますが、No10の回答者さんは真っ暗闇でも赤いリンゴを見ることができるとでも？

「人が色を知覚するということは、その物体の表面の可視光線に対する特性を知覚するということと同一です。」
一見正しいように感じますが、”物体の表面の可視光線に対する特性を知覚する”というところが間違いなんですよ。リンゴの例の通り、人間の目が知覚しているのは、あくまでも可視光線であって、”可視光線に対する特性”ではないんです。可視光線に対する特性というのは、例えば、光の反射率や透過率、吸収スペクトルなどで表されるものですよね。その特性を光を当てずに人間の目が知覚できるというのしょうか？そんわけはないですよね。あくまでも、表面から発する光（反射した光でも良いし、物体が自ら発光した光でも良い）の波長なり強度なりの違いを目が知覚して色や明るさを認識するのでしょう？この説明のどこに間違いがありますか？

また、ご丁寧に目の錯覚に関する映像をご紹介くださいましたが、これでどうやって色の違いが物体の表面の特性の違いであることを説明できるというのでしょうか？
映像は、同じ物体（菱形の紙や犬の形をした紙）を動かすと色が違って見えるということですよね。色が物体の表面の特性だというなら、移動によって物体の表面の特性が変化したことになりますが、そんなことは無いですよね。同じ物体ですから表面の特性も同じはずです。
従ってこの映像で「色は光の性質ではなく、物体の表面の特性」を説明したことにはなりませんね。

お礼

回答ありがとうございます。

回答No.12

hitokotonusi

揉めてるところはおいておいてw、ここだけ。

＞しかし、なぜ色は波長によって決まるといえるのかがわかりません。
＞他にも振動数なども考えられると思うのですが。

波長によって決まるというのが実は不正確で、振動数で決まるという方が正しいです。ごぞんじと思いますが、媒質の屈折率が変わると波長は変わってしまいます。
振動数はかわりません。
なので振動数で指定する方がより本質的なのですが、直感的には振動数よりも波長のほうがつかみやすいので、振動数を真空中の波長に換算してあらわしています。まあ、人間がいて光を感じる場所は、ほとんど空気中(屈折率はほぼ真空と同じ)だということも理由の一つでしょうけど。

ただし、同じ色に見えていても同じ波長(振動数)とはかぎらないというのはすでに回答が出ているとおりです。結局は眼底にある3種の錐体細胞と1種の桿体細胞から出た電気信号を脳が受けて色を作っているので、4種の細胞から出てくる電気信号が同じなら入力した光によらず同じ色にみえます。

ただし、その演算は広い範囲で周辺も取り込んだかなり複雑な物なので簡単にはいきません。次の画像は有名なものですが、信じられないことにAとBは同じ色です。色についての錯視というものですね。

http://blog-imgs-48.fc2.com/f/r/e/freesolo117/20070624230539.jpg
(出典: http://freesolo117.blog.fc2.com/blog-entry-16.html )

保存して画像ソフトで確認してみればわかりますが、どちらも赤108緑106青108と同じです。自分で何度やっても信じられませんがw

お礼

回答ありがとうございます。

回答No.10

ORUKA1951

プロでも間違えるのが
「色は光の性質ではなく、物体の表面の特性」
赤いリンゴは、真っ暗闇でも赤いはずです。(^^)
　古典になりますが、ランド(ポラロイドの創始者)の有名な実験があります。複雑な色のモザイク模様を、錐体とひとつの桿体だけが刺激を受ける光源で証明すると色覚が再現できる実験です。
　例えば、さんさんと陽が当たる庭に干されたワイシャツも室内に取り込まれたワイシャツも真っ白ですが、写真に取ると一方は暗い灰色です。人の目はその光源のスペクトルの差を極力排除してその物体の表面の可視光線に対する特性＝色を判断しようとする能力を持っています。
★その表面から届く光の波長やスペクトルが異なっても、その物体の色が何であるかを知ることが出来ます。
　目の前にある本の一ページを人は読めますが、写真にしてしまうと照明の反射や影で読めなくなります。
　もちろん、光のスペクトルが偏っていたり不完全だと失敗することはありますが、その物体から届く光のスペクトルに１：１で対応しているわけではありません。

　人が色を知覚するということは、その物体の表面の可視光線に対する特性を知覚するということと同一です。そのために必要な情報源が錐体であり網膜に存在する水平細胞やアマクリン、両極細胞という神経網です。
　⇒脳とコンピュ－タ( http://157.102.11.122/web2/brain-com/brain-4/brain-4.htm )
　そもそも色覚をになう錐体なんて網膜の中心(黄斑)にしかないのに、視界のすべてに色がついて見えている。

　ランドの実験では緑錐体だけが興奮する程度の中波長の光と、桿体が興奮するレベルの白色光で色を再現して見せています。

　面白い実験を紹介します。
白い紙に照明を当てて、照明の光路の一部に薄く色のついたフィルターを置き、白い紙の中心がその色になるようにします。

　●

ついで、全体をその色のフィルターを覆い、白い部分から反射されるスペクトルを上の黄色い部分から届いた光と同じにします。
　　　←この部分は上の●と同じスペクトルが届いている。
　●

　それでも、白い部分は白く見えます。
　このフィルターを薄い緑とします。
★中心(緑)の部分は他の部分に比較して中波長の光が多いから緑に見える。
★下では、スペクトル中中波長の光が多いのに白く見える。

　あるいは
　⇒Brain Hacks - YouTube( https://www.youtube.com/watch?v=yLhgvSjfXgA&feature=player_embedded#! )特に後半
　一見矛盾している現象ですが、この現象を正しく矛盾なく説明するには、色覚に対する正しい理解が必要です。
　これを単純に目が騙されている--錯覚と割り切ってよいのかな？
　もし、本当に自然界の草原で二匹の犬を見たとき、遠くの犬と近くの犬は異なる毛色のはずです。そう見えなければならない。(下に移動した犬は大きくも見えている)
　光線を横から見ても色は見えません。何かに当たって反射なり散乱されて目に飛び込んではじめて色を近く出来ます。色を知覚するには物体と光線が必要・・どちらが欠けても色を認識できません。私たちが光線の色を感じるのは、その光を反射なり散乱する部分にある物体から光が届くからで、その時点でそこに何かの物体があり、その(真偽に関わらず)物体の表面の光に対する特性がコレコレなのだと判断して色なのです。

　⇒( http://www.urban.ne.jp/home/ichiya/science/sense_of_sight/light1.html )

お礼

回答ありがとうございます。

回答No.9

ytrewq

振動数や波長は物理量ですが、色は人間の感覚であり、違うものです。

人の目の網膜には波長が約700nm,550nm,440nmに反応する3種類の細胞があり、それぞれが反応したとき、脳内で赤、緑、青と感じます。

たとえば、約600nmの単一光は黄色と感じますが、これは、赤と緑の2つの細胞が同時に反応した場合に、脳内で黄色と認識しているからです。
700nmと550nmの2つの光を用いて、その光の強さを調整すると、600nm単一光とおなじ細胞反応を起こすことができ、黄色と認識されます。
700nmと550nmの2つの光と600nm単一光という物理的には違う光を人間は区別することは出来ません。
この、人間の色認識の特徴を利用したのが、光の3原色です。

お礼

回答ありがとうございます。

回答No.8

tetsumyi

光の速度は決まっているので、波長は振動数と同じことを見方を変えた数値ですから色となって見えと言うことになっている。

しかし、私としてはヤングの実験、プリズムでの光の散乱が光が波であることが確かめられたと言うことに疑問を持っています。
電磁現象である光が電子の雲の隙間を影響を受けないで通過できるのか、光が電子の雲の中に元の性質を持ったまま出たり入ったりできるのかどう考えたも素直には認めることができないのですがどうでしょう？
光はいつでも原子の中の電子のエネルギーが失われて瞬間的に光に変わるのだが、このようなエネルギーが本当に連続的な振動の波になることがあり得るのだろうか？

お礼

回答ありがとうございます。示唆に富む考えですね。ただ私には量子力学についての知識がまだ全くありません。もちろんこれから学んでいきたいと思っています。というわけで、申し訳ありませんが、ご意見には何とも申し上げられません。

回答No.7

noname#195146

波長×振動数＝光速度ということは、もう理解されたようですね。光の色なら、波長が違うというのは、振動数が違うということとは同じですね。

　それとは別に、やはり波長（あるいは振動数）以外に、やはり人間に対する見え方には、他の要素があるようです。たとえば、太陽の白色光と電気での照明の白色光では物の色の見え方が異なります。

　これは、たとえば人間の本能として敏感な食べ物では、かなりはっきりした差が出てきます。レストランなどでは、料理が美味しく見えるような照明に苦労していたり、食品販売では鮮度が良く見える照明に工夫を凝らしていることも多いです。

　この点は、白熱電球に対して蛍光灯がさまざまに工夫してきましたし、今はLED電球の改良で未だに苦労しています。

　一見は同じ白色光でも、それに含まれているさまざまな光の波の波長成分が異なるんですね。そうすると、複数の波長の光を重ね合わせた光が持つ波の形が違ってきます。

　それが、たとえばLEDは一つの波長が極めて多く、確かに三原色などで白色光っぽくなりますが、特に反射光に複雑な波長を示す自然物だと、太陽光の場合とは見え方が異なることが多くなります。

　これは、人工照明で野菜栽培するのに影響したりもします。人間の目には同じような白色光でも、光合成ではシビアに差が出てきたりします。

P.S.

　このことは、人間の感覚では光よりも音の方がはっきり感じることができるようです。楽器が違えば、同じ高さの音でも違う音色に聞こえるのは、その例です。

お礼

回答ありがとうございます。

回答No.6

hg3

特定の波長の光が、特有の色を認識させるは誤りではありませんね。
「特定の波長の光→特定の色」は正しいですが、「特定の色→特定の波長」にはならないということです。

逆に、「色は光の性質ではなく、物体の表面の特性」ということの方が間違い。

光が物体に当たって反射し、その物体の表面から光が、目に届くことによってものを見ることができるわけで、表面からの光が届かなければ物は見えません。当然色も感じません。例えば、すべての波長を反射する物体は白く見えますが、その物体に赤い光だけを当てれば、赤い光だけが反射するので、赤く見えます。決して白には見えません。つまり同じ物体でも、その表面から届く光の波長が違えば、色も違って見えるのであり、表面の特性によって色が変わるわけではないのです。

長波長（赤）の光と中波長(緑)の光が混合された光を見れば確かに黄色に見えますが、570-590nm位の光を見ても同じように黄色に見えます。人間の目では、その両者を区別できないというだけで、機械で測定すれば両者は違うものであることが分かります。

では、何故そうなるかというと、それは、人間の目が色を識別するしくみによります。
人間の目には、通常3種類の錐体細胞（目の中にある光を感じる細胞）が有ります。長波長（赤）を感じる赤錐体、中波長（緑）を感じる緑錐体、短波長（青）を感じる青錐体の3種類です。
例えば、長波長（赤）が目に入れば赤錐体が光を感じ、緑錐体や青錐体は光を感じません。この状態の時に赤と認識するわけです。長波長と中波長の中間（570-590nm位）の光の場合、赤錐体と緑錐体の両方とも光を感じ、青錐体は光を感じません。この状態のときは黄色と認識します。長波長（赤）と中波長（緑）の合わさった光の場合でも、赤錐体と緑錐体が光を感じ、青錐体は光を感じません。ですからこの状態も黄色と感じます。
また、赤錐体は、赤の他に青より短い波長の光も感じることができるので、青より短波長の光は、赤錐体と青錐体が光を感じ、その時に紫と認識します。

ちょっと説明が長くなりましたが、人間の目は、以上のような仕組みで色を識別するため、3種類の波長の光だけでも、人間の感じる様々な色を再現できるのです。カラーテレビやカラー印刷は、この人間の目の特性をうまく利用したものですね。

お礼

回答ありがとうございます。

回答No.5

ORUKA1951

波の一般式は
波の速度＝波長×振動数
∧＿∧＿∧＿∧＿∧＿∧
　∨￣∨￣∨￣∨￣∨￣∨
波長×振動数―――――→速度

　ですから、
「可視光線の色は波長に依存する」＝「可視光線の色は振動数に依存する」
はまったく同義なのです。

　ただ、特定の波長の光は、特有の色を認識させるというのは誤りです。
パソコンのディスプレイは、赤・緑・青の光しか発色できませんが、黄色と見せることが出来ますね。菜の花の画像( http://www.google.co.jp/search?hl=ja&site=imghp&tbm=isch&source=hp&biw=1016&bih=617&q=%E8%8F%9C%E3%81%AE%E8%8A%B1&oq=%E8%8F%9C%E3%81%AE%E8%8A%B1&gs_l=img.12..0i4i37l5j0l5.2441.2441.0.3833.1.1.0.0.0.0.245.245.2-1.1.0...0.0...1ac.2.6.img.c5_zqf6KKL0 )を見てもどこからも黄色の光--570-580nmの光は出ていません。

　色は光の側の性質ではなく、あくまでその物体の表面の特性です。--とても間違えやすい---。黄色に見える物体は短波長の光を吸収し、長波長(赤)や中波長(緑)光を反射、発する物体の性質です。その物体の表面から届く光そのものの性質ではないのです。
　でないと、カラー写真もカラーテレビも実現できない。

　870nmの光が黄色く見えるのは、それが当たった部分が、あたかも長波長～中波長の光を反射しているように見えるから黄色く見えることなのです。

お礼

回答ありがとうございます。

回答No.4

gn_drive

人間の目の錐体細胞が波長依存性があり、色覚となるからです。ヒトにとっての光の三原色も同じように赤・緑・青となるのです（3色型色覚）。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%8C%90%E4%BD%93%E7%B4%B0%E8%83%9E

波（光）の波長＝伝搬速度（光速）÷振動数

です。

お礼

回答ありがとうございます。

回答No.3

jaham

波長と振動数は同じことを言葉を変えて表現しただけです

振動数が高いとそのエネルギーは高くなります

また色は　人間の眼（視覚細胞が検出し脳）が認識する状況を示しているだけです

視覚細胞がエネルギー準位の違いを脳に送ってそれを色として認識するのでしょう

お礼

回答ありがとうございます。調べ直してみると、ヤングの実験で波長は測定できるみたいですね。単色光を用いればその色の波長がわかりますね。勘違いしていたようです。

回答No.2

mmmma

色がなぜ波長によって決まるのか…

それは、謎です。

なんていうと見もふたもないですが、
砂糖はなぜ甘いのか、塩はなぜ辛いのか、花はなぜいい香りなのか、腐ったものはなぜ臭いのか…
というのと同じことです。

つまり、人間は進化の過程で、光の波長の違いを色の違いで感じるようになった、ということです。
他の動物は違う色と認識しています。
どうしてそのようになったかは、私はわかりません。

ちなみに、光速は一定ですので、波長と振動数は反比例するので、振動数が決まれば波長も決まります。

お礼

回答ありがとうございます。調べ直してみると、ヤングの実験で波長は測定できるみたいですね。単色光を用いればその色の波長がわかりますね。勘違いしていたようです。