physique et chimique de la couleur : L’objectif de l’esprit

> > physique et chimique de la couleur : L’objectif de l’esprit ; écrit le: 9 mai 2012 par La rédaction

Le mélange additif de rouge et de vert au jaune, et la vibration que les pigments rouges et verts acquièrent l’un à côté de l’autre dépendent de la façon dont la sensation de couleur se produit dans l’œil. Comme Goethe le suggérait à juste titre, une compréhension pleinement scientifique de la couleur nécessite une dimension autant biologique que physique : « La science de la couleur doit être regardée essentiellement comme un savoir intellectuel. »
Newton suppose à travers son Opticks que la lumière a une nature corpusculaire: cela était en harmonie avec sa vision de l’univers comme un système de corps se heurtant et obéissant aux lois du mouvement. Mais le physicien et astronome hollandais Christian Huyghens soutint, en 1678, que la lumière se composait non de particules mais d’ondes, se propageant à travers un éther partout présent. Au début du xixe siècle, le scientifique anglais Thomas Young avança d’irréfutables preuves en faveur de la théorie de Huyghens. À la fin, Newton et Huyghens, grâce à la capacité de la physique des quanta à tolérer deux interprétations à la fois, eurent tous deux raison.

L’intérêt de Young allait au-delà de la physique jusqu’à la médecine; en 1801, il fit une synthèse des deux et proposa une théorie de la vision de la couleur. Il assurait que la rétine — la partie de l’œil que la lumière stimule — contient des capteurs lumineux qui répondent aux rayons par des vibrations en résonance. Ces vibrations créent un signal qui est envoyé de la rétine au cerveau par le nerf optique. Mais Young estimait absurde de supposer que la gradation infinie de couleurs à travers le spectre visible ait un nombre correspondant infini de résonateurs à chaque point de la rétine. Notant que les trois couleurs alors considérées comme primaires, le rouge, le jaune et le bleu, pouvaient être mélangées pour produire presque n’importe quelle couleur, il proposait que seulement trois récepteurs soient suffisants pour rendre l’œil capable de percevoir une gamme entière de couleurs: « Chaque filament sensible du nerf optique peut consister en trois portions, une par couleur principale. » Il imaginait que l’aveuglement à la couleur provenait de l’absence de l’une des trois séries de récepteurs de couleur dans l’œil.

La théorie de Young fut améliorée par le physicien et physiologiste allemand Hermann von Helmholtz, qui fournit des preuves indirectes de l’existence des trois récepteurs de couleur. Les études de Maxwell sur les mélanges additifs de lumière dans les années 1860 fournirent un argument solide à la proposition que la rétine pouvait développer une vision complète de la couleur avec des récepteurs répondant juste aux trois primaires (quoique les primaires additives : rouge, bleu et vert]. Mais la confirmation expérimentale de l’idée mit un siècle supplémentaire à se produire.

Les entités de l’œil sensibles à la lumière, les résonateurs de Young, se présentent en deux classes visibles au microscope à cause de leurs formes différentes. Elles se situent dans la rétine à l’extrémité de millions de filaments provenant du nerf optique, et elles sont soit en forme de bâtonnet, soit en forme de cônes , Il existe 120 millions de bâtonnets et 5 millions de cônes dans chaque rétine humaine. La plupart des cônes se trouvent dans un creux de la rétine appelée la fovea centralis, qui se situe au point focal du cristallin. Ce petit creux est dépourvu de bâtonnets qui, dans toutes les autres parties de la rétine dépassent en nombre les cônes.

Bâtonnets et cônes stimulent des signaux nerveux quand ils sont frappés par la lumière. Les bâtonnets absorbent la lumière sur le spectre visible entier, mais le font ainsi le plus fortement [c’est-à-dire que la possibilité de la lumière d’être absorbée est la plus grande] pour la lumière bleu-vert. L’absorption de la lumière par un cône déclenche une réponse neurale identique, indépendante de la longueur d’onde. Ainsi, les cônes ne font pas de différence entre les couleurs, mais seulement entre la lumière et l’obscurité. Ils sont extrêmement sensibles, et ce sont les principaux récepteurs de la lumière pour des luminosités très faibles comme celle des étoiles. C’est pourquoi il est difficile d’identifier des couleurs dans de telles conditions. Comme la réaction est plus grande pour la lumière bleu- vert, les objets qui renvoient ces longueurs d’onde [telles que des feuilles], apparaissent plus brillants que des objets rouges la nuit.

Dans la lumière brillante du soleil, les cônes sensibles à la lumière transmettent le signal visuel au cerveau. Dans ces conditions, les cellules en bâtonnets sont « blanchies », saturées de lumière et incapables d’absorber des photons. C’est seulement lorsque la lumière brillante est coupée que les bâtonnets peuvent se détendre et revenir à leur état initial, prêts à absorber des photons et à déclencher des impulsions nerveuses. Ce relâchement prend plusieurs minutes, c’est pourquoi nous acquérons graduellement une vision nocturne après avoir quitté un bâtiment fortement éclairé. Si nous sommes dehors au crépuscule, la vision nocturne s’installe progressivement pendant que les derniers rayons du soleil disparaissent. La sensibilité différente à la couleur des bâtonnets et des cônes résulte d’un changement dans l’intensité perçue des objets bleus/verts par rapport au rouge, alors que le crépuscule se fait plus profond. Cet effet fut clairement identifié en 1825 par le physiologiste de Bohême J.E. Purkinje, quoique des artistes aient déjà noté ce phénomène auparavant.

L’hypothèse de Young sur la vision de la couleur fut vérifiée par l’expérience dans les années 1960 où l’on mesura les propriétés d’absorption des seuls cônes, cela confirma qu’ils se regroupaient en trois classes ayant des sensibilités différentes aux couleurs. Les cônes de la lumière bleue sont les moins sensibles, c’est pourquoi le bleu totalement saturé semble relativement noir. L’arrivée historiquement tardive du bleu comme une véritable couleur, par opposition à une sorte de noir, est donc due à des raisons biologiques.

La sensibilité globale de l’œil aux couleurs du spectre est la somme des réponses des trois types de cônes: elle monte régulièrement du rouge au jaune et tombe régulièrement du jaune au violet. Ainsi, le jaune est perçu comme la couleur la plus brillante. La bande jaune d’un arc-en-ciel se détache non parce qu’elle est plus intense (ce n’est pas parce qu’il y a plus de photons jaunes que d’autres], mais parce que les photons jaunes génèrent les réactions les plus importantes dans l’œil.

Curieusement, dans de nombreuses cultures, le jaune est considéré comme la couleur la moins attractive, et ses associations métaphoriques et symboliques sont souvent dépréciatives. C’est traditionnellement la teinte de la trahison et de la couardise, et les concepteurs de vêtements admettent que c’est une couleur terriblement difficile à vendre. Le jaune est populaire en Chine (c’est la couleur de l’empereur, huang); mais en Occident, il était préférable de l’appeler « or ».

Chaque couleur « vue » est construite dans le système visuel à partir des stimuli des trois types de cellules à cônes. La lumière rouge excite principalement les cônes « rouges ». Mais un mélange de rayons rouges et verts peut stimuler les cônes rouges et verts dans la même proportion que le fait la lumière jaune pure, et ainsi les sensations de couleurs sont identiques. Si la lumière bleue vient s’ajouter, nous voyons du blanc.

Les cellules à bâtonnets et à cônes sont parsemées de plusieurs milliers de récepteurs de lumière individuels appelés photopigments. Chacun d’eux est une molécule d’une seule protéine, enfoncée dans les plis entassés des membranes cellulaires. Tous les photopigments contiennent une unité moléculaire absorbant la lumière, appelée rétinal, qui a un nuage zigzagant parsemé d’électrons très semblables à ceux des pigments caroténoïdes des plantes. Le rétinal agit comme une sorte de commutateur. Là, nous nous tenons, disons, devant les sculptures bleues d’Yves Klein, qui nous inondent d’une lumière bleue réfléchie. Un photopigment sensible au bleu absorbe un photon de lumière bleue et, en réponse, son élément rétinien change de forme de l’entortillé au rectiligne. Cela permet aux photopigments de mettre en train une séquence d’événements moléculaires entraînant une modification des impulsions électriques du nerf auquel la cellule à cône est reliée. Une certaine région du cortex visuel du cerveau s’active et nous enregistrons « bleu ». Ce que nous en faisons ensuite est l’affaire de chacun.

Mesurer la couleur

Le disque chromatique a beaucoup évolué depuis Newton. Son incarnation moderne la plus populaire est moins plaisante à l’œil, mais comporte beaucoup plus d’informations: un diagramme de la couleur dessiné par la Commission internationale de l’Éclairage [CIE] , pesamment appelé la « courbe de chromaticité CIE ». Les longueurs d’onde pures du spectre de Newton s’étendent sur la périphérie en forme de langue, pendant qu’à l’intérieur, se trouve le résultat des différents mélanges additifs de ces rayons. Toute couleur située sur une ligne reliant deux points sur le bord peut être mélangée à partir de ces couleurs spectrales. Si la ligne passe à travers la région blanche du centre, les deux couleurs périphériques peuvent être mélangées pour donner le blanc. Donc la lumière blanche peut s’obtenir à partir du bleu et du jaune seulement [comme sur les écrans des télévisions monochromes], et pas à partir du rouge et du vert.

Le caractère artificiel de l’union du rouge et du violet dans la roue des couleurs est souligné par la base aplatie de la langue, le long de laquelle les couleurs, comme Newton l’avouait, ne se trouvent pas, même dans le plus fin détissage des torons de l’arc-en-ciel. Cependant, dans toute sa splendeur, le diagramme CIE ne nous montre pas toutes les couleurs. Dû est le marron ? Et le rose ? Il existe évidemment beaucoup plus de couleurs que le mandala du disque chromatique ne peut en accueillir.

La caractéristique déterminante d’un matériau coloré n’est pas de savoir si sa teinte se situe plus prés du royaume du rouge que du bleu ou de n’importe quelle autre, mais ce qu’est sa composition spectrale totale: la manière dont II absorbe et réfléchit la lumière à travers le continuum du spectre visible. Une signature plus judicieuse de la couleur est donc une ligne ondulée qui trace la variation en intensité de la lumière réfléchie lorsque la longueur d’onde varie. La signature du blanc « pur » [quoique pas celui de la lumière solaire] est une ligne droite : toutes les longueurs d’onde sont réfléchies totalement.

Le noir produit le même signal, mais à zéro plutôt qu’à pleine intensité : chaque longueur d’onde est annulée. Qu’en est-il du gris? Mélange de blanc et de noir, le gris est parfois classé comme une oxymorique « couleur achromatique »; nous pourrions dire que le gris n’a pas de « couleur » en tant que telle, mais qu’il est plus qu’un Intermédiaire entre la lumière et le noir. Le gris est ce que nous percevons lorsque toutes les longueurs d’onde sont absorbées partiellement, néanmoins plus ou moins également, à partir de la lumière blanche. C’est, si l’on veut, de la lumière blanche d’une faible ampleur.

Le marron pose une autre difficulté. Il se situe à la frontière entre une couleur réelle et une couleur achromatique, c’est une couleur « sale », apparentée au gris. Le marron est en fait une sorte de gris ayant des préjugés pour le jaune ou l’orange. Une surface marron absorbe toutes les longueurs d’onde jusqu’à un certain point, mais le jaune orangé un peu moins que les autres. Pour le dire autrement, le marron est un jaune ou un orange de faible éclat: la sensation produite lorsqu’une lumière de basse intensité de ces longueurs d’onde frappe notre œil. C’est une curiosité physiologique et linguistique alors que nous pourrions toujours qualifier les bleus, les verts et les rouges de basse intensité comme des bleus, des verts et des rouges, nous ressentons la nécessité d’un nouveau terme de couleur fondamentale [dans le sens de Berlin et Kay] pour le jaune de basse intensité.

Le marron et le gris ne sont pas représentés sur le diagramme CIE parce que celui-ci ne montre pas les couleurs produites par des variation s d’intensité. Faire cela requiert un stock entier de diagrammes CIE, avec le centre blanc devenant progressivement plus gris. Comme le fait aussi la partie orange/jaune du diagramme qui devient progressivement marron.

Cela illustre le fait que l’espace de la couleur, le genre de choses que l’on volt dans les catalogues commerciaux de peintures, est tridimensionnel. Le diagramme CIE permet de voir juste deux des trois paramètres de couleur, deux « dimensions » peintes sur un espace plat. Un des paramètres est la teinte, c’est-à-dire ce que nous signifions habituellement par l’expression familière de « couleur ». À strictement parler, la teinte est a longueur d’onde dominante dans la couleur, et c’est ce qui nous permet de caractériser une couleur comme fondamentalement rouge, verte ou autre. Dans ce sens, la teinte marron est jaune ou orange, alors que le gris est sans teinte [pas de longueur d’onde dominante] et ainsi, peut être considéré comme achromatique. Dans le diagramme CIE, la teinte varie autour du périmètre de la « langue ». Les pourpres le long de la base en pente, entre le violet au coin le plus bas à gauche et le rouge au plus bas à droite. Le diagramme fait bien sentir la bizarrerie de l’anglais et de plusieurs autres langues européennes, où il n’y aucun terme de couleur généralement accepté pour la teinte entre le jaune et le vert, ou pour celle entre le vert et le bleu, même si elles occupent des parties appréciables du périmètre.

Le second paramètre de couleur sur le diagramme CIE est la saturation, quelquefois appelée la pureté ou — ce qui peut prêter à confusion — l’intensité. Ce paramètre-ci fait référence aux proportions dans lesquelles le blanc [ou le noir ou le gris] est mélangé avec une teinte pure. En général, la saturation d’une couleur varie sur une ligne allant de la teinte « pure », sur la périphérie du diagramme, au point de blanc pur au centre. Il faut noter, incidemment, combien la surface de blanc est importante: il y a une gamme entière de blancs. Dans le schéma CIE, le véritable blanc est défini comme blanc « d’égale énergie », le blanc obtenu à partir d’un mélange égal des trois primaires qui se trouvent aux extrémités: la lumière rouge d’une longueur d’onde de 770 nanomètres en bas à droite, la violette de 380 nanomètres au coin en bas à gauche et la lumière verte de 520 nanomètres au point le plus élevé de la courbe supérieure. La lumière du soleil se trouve légèrement du côté jaune du vrai blanc.

La brillance, le troisième paramètre de la couleur, est absent du diagramme CEI. Elle peut être grossièrement considérée comme l’ombre du gris que la couleur produit dans une photographie noir et blanc. Au début du xixesiècle, les théoriciens de la couleur commençaient déjà à comprendre que le disque chromatique plat donnait seulement une image partielle de l’espace de la couleur, une simple tranche du paysage. Quelques théoriciens étendirent leurs disques pour inclure des couleurs tertiaires, obtenues en mélangeant les trois primaires dans des proportions différentes , Le peintre et théoricien des couleurs allemand Philipp Otto Runge alla plus loin, présentant une sphère des couleurs dans son ouvrage Farben-Kugel [La Sphère des couleurs, 1810] qui, en gros, tenait compte des variations de brillance des couleurs du spectre de Newton. Les couleurs primaires et secondaires totalement saturées sont situées aux alentours de l’équateur de la sphère-globe. Du côté d’un pôle la couleur devient progressivement plus lumineuse; de l’autre côté, plus noire. Ainsi, un pôle est blanc pur, l’autre totalement noir.

Cependant, même cette volonté ne suffira pas, car cela ne s’adapte pas correctement à des variations indépendantes en saturation et en brillance: le gris n’apparaît nulle part sur la sphère. Sa surface est encore à deux dimensions, alors que l’espace réel de la couleur est à trois dimensions. Au début du XXe siècle, l’artiste et professeur américain Albert Munsell fit l’une des premières tentatives pour codifier cet espace dans sa totalité. Munsell espérait que son schéma lui permettrait de classifier les couleurs perçues dans la nature, de manière à ce qu’il puisse les reproduire sur toile avec précision dans son atelier. Sa première gamme de couleurs fut publiée en 1905, et élargie en 1915 dans son Atlas of the Munsell Color System . Le schéma complet de Munsell est quelque chose comme un graphe CIE à trois dimensions, sauf que le profil ressemble plus à une araignée polychrome qu’à une langue.

Comme dans la carte CIE, la teinte change le long du périmètre, tandis que la saturation varie le long des lignes radiales vers le blanc central. La brillance varie dans la direction verticale, comme dans nos tas hypothétiques de graphes CIE, de sorte que le point central aille du noir pur au blanc pur en passant par le gris. Munsell mit à nouveau son schéma de notation des couleurs à jour en 1929, divisant l’espace des couleurs en blocs discrets qui étaient destinés à évoluer dans n’importe quelle direction, par degrés de perception égaux. Des tests psychologiques soigneux furent effectués par l’Optical Society of America pour essayer de confirmer que l’espace des couleurs de Munsell était aussi « régulier » que possible.

La gamme des couleurs de Munsell, sous la forme de fiches ou de pastilles de plastique de couleur, a été abondamment utilisée par les psychologues et les anthropologues faisant des recherches sur la perception de la couleur. Mais sa valeur dans cette arène demeure limitée par sa tentative d’imposer une quantification scientifique à des concepts de couleurs qui, inévitablement, supportent le poids d’une masse d’éléments culturels. John Gage raconte comment des anthropologues danois qui arrivèrent en 1971 dans une île polynésienne, avec l’intention d’utiliser leurs tests Munsell sur les autochtones, s’entendirent répondre : « Nous ne parlons pas beaucoup de couleurs ici. » Le sociologue Marshal Sahllns a exprimé très nettement ce fait en 1976 : « Une théorie sémiotique des uni- versaux de la couleur doit prendre pour “signification” exactement ce que les couleurs signifient en fait dans les sociétés humaines. Elles ne signifient pas les pastilles de Munsell. »

De même, la couleur ne signifie pas l’arc-en-ciel de Newton ni (comme le suggère l’Oxford English Dictionnary] une tendance du matériau à l’absorption de la lumière, ni une sensation produite par la stimulation du nerf optique. C’est tout cela à la fois mais, pour des artistes, ces choses sont pure abstraction. Les peintres ont besoin de la couleur pour s’exprimer dans la substance, ils ont besoin de pouvoir l’acquérir et d’en salir leur blouse de travail. C’est la question de base, et je ne voudrais pas que l’on trouve tout cela obscur [même si ça l’a parfois été] au milieu de ces disques, sphères et graphes multicolores. Les peintres ont besoin de peinture. La couleur est leur moyen d’expression et de communication mais, pour rendre leurs rêves visibles, ils ont besoin de matériaux. Voyons maintenant comment ils les obtiennent.

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