Màu sắc có từ đâu?

1. Màu sắc từ đâu mà ra?

Liệu màu sắc có phải là thuộc tính của vạn vật trong tự nhiên như một thực tại khách quan?  Câu trả lời là KHÔNG.

Đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím chỉ là những cái tên con người đặt ra để phân biệt cảm nhận của mình về sự tương tác của ánh sáng với vật chất. Không một màu nào tồn tại khách quan trong tự nhiên.

Ánh sáng là một dạng năng lượng có tính nhị nguyên: vừa là hạt lại vừa là sóng điện từ với các bước sóng khác nhau. Ánh sáng tự nó không có màu sắc. Phổ sóng điện từ rất rộng, trải dài từ các sóng radio có bước sóng cỡ hàng trăm ngàn km, tới các sóng tia X, tia gamma với bước sóng ngắn hơn 1 phần ngàn tỉ meter (10-12 m, hay 1 phẩn ngàn nanometer, nm). Trong dải phổ sóng điện từ với những bước sóng dài bát ngát đó, phần phổ của ánh sáng mắt người có thể nhìn thấy chỉ chiếm một phần không đáng kể, từ 780 nm xuống tới 380 nm.

Ánh sáng chui vào mắt người qua thủy tinh thể, rồi hội tụ trên võng mạc. Võng mạc gồm hàng triệu tế bào nhạy quang làm nhiệm vụ truyền tín hiệu nhận được lên não qua thần kinh thị giác. Các tế bào nhạy quang gồm 2 loại là các tế bào que (hay tế bào gậy, hình cái que, rod cells) và các tế bào nón (hình nón, cone cells). Mỗi con mắt có khoảng 120 triệu tế bào que và chừng 6 triệu tế bào nón. Các tế bào que làm nhiệm vụ ghi nhận thông tin về độ sáng tối, chuyển động. Các tế bào nón tập trung ở phần giữa võng mạc. Mỗi tế bào nón có các quang sắc tố phù hợp với một dải bước sóng riêng biệt trong phổ ánh sáng. Khi chúng thu được tín hiệu ánh sáng có bước sóng phù hợp, chúng tạo ra phản ứng điện hóa. Có 3 loại tế bào nón trong mắt người phản ứng với 3 vùng ánh sáng có bước sóng dài, trung bình, và ngắn, lần lượt được gọi là các tế bào nón dài (long cone cells), trung bình (medium cone cells), và ngắn (short cone cells).

 

Phổ sóng điện từ

 

 

Trái: tiết diện mắt người - Phải: Tiết diện võng mạc

Các vật trong tự nhiên tự chúng không có màu sắc, mà chỉ hấp thụ, truyền tải và phản xạ ánh sáng chiếu vào chúng. Vì tính chất hấp thụ, truyền, và phản xạ ánh sáng của vật này khác tính chất này ở vật khác, khi ánh sáng phản xạ từ các vật khác nhau chui vào mắt ta, các tế bào nón và que trên võng mạc ghi nhận các bước sóng ánh sáng khác nhau từ các vật khác nhau. Các tín hiệu này được truyền tới các tế bào hạch (ganglion cells). Các tế bào hạch so sánh thông tin từ các tế bào nón để xác định số lượng sóng ánh sáng từ các vùng sóng ngắn, trung và dài. Sau đó các tín hiệu về tỉ số giữa các vùng sóng và sáng - tối được truyền qua thần kinh thị giác lên não để được xử lý như các màu khác nhau trong phổ ánh sáng nhìn thấy được như sau:

 

Bước sóng của các tia đơn sắc mà mắt người có thể nhìn thấy

Vùng bước sóng ngắn hơn 380 nm nhưng dài hơn khoảng 10 nm (tia X) là vùng tia cực tím (ultraviolet, viết tắt UV). Vùng bước sóng dài hơn 750 nm nhưng ngắn hơn khoảng 3.3 mm là vùng tia hồng ngoại (infrared, viết tắt IR). Mắt người không nhìn được hai vùng ánh sáng này song một số động vật và côn trùng có thể nhìn thấy tia cực tím hoặc cảm nhận được nhiệt từ tia hồng ngoại.

Ánh sáng trắng là ánh sáng trong đó tất cả các bước sóng trong phổ mắt người nhìn thấy hòa với tỉ lệ bằng nhau. Nếu số bước sóng nào đó nhiều hơn, ánh sáng sẽ có màu ngả về phía bước sóng đó. Vì thế một vật có màu trắng (màu đen) khi nó phản chiếu (hấp thụ) toàn bộ hoặc phần lớn ánh sáng chiếu lên nó. Lá cây có màu lục vì chúng có các sắc tố hấp thụ phần bước sóng dài (đỏ) và ngắn (lam) trong phổ ánh sáng và chỉ phản xạ các bước sóng trong phần màu lục (495 - 570 nm) tới mắt người nhìn. Quá trình hấp thụ ánh sáng không chỉ xảy ra khi ánh sáng bị phản xạ từ các bề mặt, mà cả khi ánh sáng chiếu xuyên qua các chất bán trong như các kính lọc sắc (filter) hay qua không khí, ví dụ kính lọc sắc lam hấp thụ các tia đỏ và lục. Tương tự như vậy các tổ hợp khác nhau của các tia sáng khác nhau có thể tạo ra cùng một màu như nhau. Do đó các mô hình hòa sắc khác nhau vẫn có thể tạo ra kết quả như nhau từ các màu sơ cấp khác nhau.

Bằng cách nào mà các tế bào nón thu nhận và tổng hợp thông tin để cho chúng ta trải nghiệm về màu sắc đến nay vẫn còn là một câu hỏi chưa có câu trả lời thoả đáng. Theo lý thuyết về quá trình đối lập màu sắc (opponent color process) - do nhà sinh lý học người Đức Ewald Hering (1834 - 1918) đề xuất năm 1892, sau đó được Leo Hurvich (1910 - 2009) và vợ là Dorothea Jameson (1920 - 1998) kiểm chứng năm 1957, rồi được Richard Solomon (1918 - 1995) mở rộng năm 1970, hệ thống thị giác của con người thiên về so sánh sự khác nhau giữa phản ứng của 3 loại các tế bào nón hơn là phản ứng riêng rẽ của từng loại tế bào. Có 3 kênh màu đối lập (><) liên lạc bằng điện hóa với não: đỏ >< lục, lam >< vàng, và đen >< trắng. Kênh đen trắng là kênh tiêu sắc, tức không màu, vì trắng và đen không phải là màu trong ánh sáng. Kênh này chỉ ghi nhận độ sáng tối. Các tế bào hạch so sánh thông tin từ các tế bào nón dài (vùng ánh sáng đỏ) với thông tin từ các tế bào nón trung (vùng ánh sáng lục) để xác định độ đậm nhạt, trong khi thông tin từ các tế bào nón dài (vùng ánh sáng đỏ) và ngắn (vùng ánh sáng lam) được so sánh với thông tin từ các tế bào nón trung (vùng ánh sáng lục) để xác định độ “đỏ” hoặc “lục”, còn thông tin từ các tế bào nón ngắn (vùng ánh sáng lam) thì được so sánh với vùng đỏ và lục để độ “lam” hay “vàng”. Như vậy các màu đối lập không bao giờ được cảm nhận cùng nhau. Khi nhìn ranh giới giữa hai màu đỏ và lục (cùng tone) đặt cạnh nhau, ta thấy ranh giới này nhấp nháy, mà ta gọi là màu “đánh nhau”.

 

Độ nhạy cảm (độ hấp thụ tương đối) của các tế bào que và nón theo bước sóng ánh sáng

 

 

 6 màu sơ cấp theo lý thuyết về quá trình đối lập màu sắc: đen >< trắng, đỏ >< lục, và lam >< vàng

Khi ta nhìn vào một hình vuông có màu là một trong 6 màu sơ cấp nói trên, ví dụ màu đỏ, rồi sau đó nhìn sang một mặt phẳng trắng, ta thấy xuất hiện một hình vuông có màu đối lập (hay màu bù) với nó, trong trường hợp này là màu lục. Ảo giác này gọi là hiện tượng dư ảnh (afterimage). Điều quan trọng ở đây là mắt người rất nhạy cảm với các màu đỏ, vàng, lục, lam, đen và trắng, được coi là 6 màu sơ cấp (primary colors) trong lý thuyết quá trình đối lập màu sắc. Vì thế các tổ hợp của 3 ánh sáng đỏ, lục và lam với cường độ khác nhau có thể tạo ra trải nghiệm về các màu khác nhau trong não người. Đó là bản chất của các mô hình nhằm tạo nên các hòa sắc từ 3 màu đỏ (R), lục (G) và lam (B) theo lý thuyết cộng màu, hay cyan (C) - màu giữa lục và lam, magenta (M) - màu giữa tím và đỏ, và vàng (Y) theo lý thuyết trừ màu

2. Các mô hình màu sắc

a. Thời Cổ Đại, Trung Cổ và Phục Hưng

Con người biết vẽ hàng chục ngàn năm trước khi biết viết. Người ta đã tìm thấy các bức hoạ được vẽ cách đây tới 35-40 ngàn năm trong các hang động tại châu Âu và Úc, trong khi chữ viết xuất hiện khoảng 3500 - 4000 năm về trước. Aristotle (384 - 322 tr CN) là người đã xây dựng lý thuyết đầu tiên về màu sắc. Aritstotle cho rằng màu sắc là thuộc tính của bề mặt vật chất, tia nhìn của người, cũng tương tự như sự sờ mó, phóng ra từ mắt chạm vào vật chất khiến ta biết được màu của chúng. Theo ông, các màu đỏ, da cam, vàng, lục, lam, tím chỉ là sự chuyển đổi sắc độ giữa màu đen và màu trắng. Aristotle là người đầu tiên cho rằng 3 màu đỏ, lục và lam-tím của cầu vồng là 3 màu duy nhất mà các hoạ sỹ không thể nào pha ra được [2]. Lý thuyết màu sắc của Aristotle sau này được nhà toán học François d’Aguilon (1567-1617) tại Bruxelles kế thừa trong tác phẩm Opticorum libri sex (Quang học 6 chương) được minh họa bởi danh hoạ Peter Paul Rubens (1577 - 1640). D’Aguilon coi đỏ, vàng và lam là 3 sắc “cao quý” mà từ đó có thể tạo ra tất cả các màu khác. Đó là quan niệm từ thời Trung cổ khởi đầu cho công cuộc truy tìm các màu sơ cấp.

 

Sơ đồ của Cennino Cennini về sắc độ trong tranh. 
Highlight: Phần sáng nhất, Lit surface: Bề mặt được chiếu sáng, 
Terminator: Imprimatura, Shadow: Bóng tối, W: trắng, C: màu nguyên,
U: Màu vẽ lót, Bk: Đen

Mô hình màu sắc do hoạ sỹ xây dựng xuất hiện lần đầu tiên vào cuối t.k. XIV trong tác phẩm của Cennino Cennini (1370 - 1440), trong đó ông cho biết hoạ sỹ dùng 7 màu gồm 4 màu từ khoáng chất tự nhiên là đen, đỏ, vàng, lục, và 3 màu tự tạo là phấn trắng, lam ultramarine (từ đá lapis lazuli) hay lam azurite (khoáng vật đồng), và vàng. Các màu này được làm từ các chất màu (color pigments). Màu vàng khoáng chất thường là vàng đất (ochre) tức hydrated oxide sắt (Fe2O3.H2O) (ochre vàng kim) hay oxide sắt (Fe2O3) (ochre đỏ). Màu vàng nhân tạo là phẩm nhuộm. Như vậy đối với hoạ sỹ, màu sơ cấp là các chất màu (hay hạt bột màu). Sắc của chất màu chỉ được thể hiện đúng trong màu tinh khiết hay màu nguyên khi màu ở dạng bão hòa về sắc tức “no” nhất. Hoạ sỹ pha màu trắng vào màu nguyên để làm sáng màu lên, và pha màu đen vào để làm tối màu đi.

Các màu nguyên khi được trộn với nhau đều bị xỉn đi. Vì thế các hoạ sỹ thời Cổ đại, Trung cổ, Phục hưng, và Baroque tránh pha trộn các màu nguyên với nhau. Tuy Leonardo Da Vinci (1452 - 1519) coi 6 màu trắng, vàng, đỏ, lục, lam và đen là 6 màu sơ cấp, những màu này không bao giờ được coi là các màu cơ bản để pha ra các màu thứ cấp như trong các mô hình hòa sắc sau này, mà chỉ được dùng để định vị trong hệ thống hòa sắc. Các bậc thầy cổ điển đã dùng kỹ thuật vẽ nhiều lớp để giảm thiểu sự pha trộn các màu nguyên trong hội hoạ sơn dầu. Đầu tiên họ vẽ lót để xây dựng không gian và hình khối chỉ dùng 3 màu trắng, đen (hoặc nâu tối), và ochre. Sau đó họ láng màu lên lớp vẽ lót đã khô. Các màu trung gian được tạo bởi láng các màu nguyên lên nhau. Ví dụ khi vẽ màu da thịt các bậc thầy cổ điển không pha vàng với đỏ và trắng trên palette. Họ vẽ lót bằng trắng chì với nâu tối, lục đất, rồi láng đỏ vermillion hay đỏ carmine lake lên. Màu lục được tạo bởi láng màu ultramarine lên màu vành chanh đã khô, chứ không phải trộn ultramarine với vàng chanh trên palette. Nhờ đó bóng tối trong các kiệt tác của Leonardo, Rembrandt, Vermeer v.v. sau nhiều thế kỷ vẫn trong và sâu thẳm chứ không nông choèn và bẩn như các hòa sắc bóng tối được pha trộn từ các màu bù nhau (complementary colors) trên palette của nhiều hoạ sỹ trường phái Ấn tượng sau này. Nghệ thuật hòa sắc được xây dựng trên kỹ thuật vẽ nhiều lớp của các bậc thầy cổ điển cho tới giờ vẫn được coi là tuyệt đỉnh của hội hoạ sơn dầu. Tiếc thay nó đã bị mai một kể từ trào lưu Ấn tượng trong hội hoạ cuối t.k XIX, khi các hoạ sỹ bắt đầu hy sinh truyền thống để đánh đổi lấy sự “độc đáo”.

b. Mô hình màu sắc từ thế kỷ  XVII

Sự phát triển mạnh của khoa học kỹ thuật trong t.k. XVII và thời kỳ Khai sáng của t.k. XVIII đã thúc đẩy các ứng dụng lý thuyết vào thực tiễn. Việc các nhà hóa học cuối t.k. XVII tập trung nghiên cứu các chất màu và thuốc nhuộm để ứng dụng trong kỹ nghệ dệt đã khiến khoa học chú ý tới các thực hành của hoạ sỹ. Năm 1664 nhà hóa học Robert Boyle (1627 - 1691) người Ái-Nhĩ-Lan coi 5 màu đen, trắng, đỏ, vàng, và lam là các màu sơ cấp, có thể mô phỏng sắc của vô số các màu khác nhau trong tự nhiên, tuy không phải lúc nào cũng đủ độ lộng lẫy.

Lý thuyết màu sắc của Newton

Nhưng toàn bộ lý thuyết trừu tượng và rắc rối về màu sắc của thời Baroque đã bị Isaac Newton (1642 - 1721) lật nhào bằng thí nghiệm tán sắc ánh sáng vào năm 1671. Newton phát hiện ra rằng chùm ánh sáng trắng khi đi qua một lăng kính thì bị tách ra thành 7 chùm ánh sáng có màu đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm và tím. Bảy chùm ánh sáng đơn sắc này sau khi đi qua một lăng kính lộn ngược thì lại hợp nhất thành chùm ánh sáng trắng. Sự đột phá mang tính cách mạng trong tư duy đã xảy ra khi Newton tách riêng khía cạnh toán học và khía cạnh tâm lý trong quan niệm về màu sắc. Ông đã chứng tỏ rằng các chùm ánh sáng có màu khác nhau trong quang phổ khi chiếu qua vật chất thì bị khúc xạ theo một góc khác nhau. Đó là lý do khiến khi chiếu qua lăng kính, ánh sáng trắng, do các ánh sáng đơn sắc hợp thành, bị tách ra thành 7 chùm ánh sáng đơn sắc. Ông tuyên bố ánh sáng tự nó không có màu sắc mà chỉ có sức mạnh và khả năng kích động cảm giác về màu sắc trong tâm trí người quan sát.

Newton coi cả 7 màu đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm và tím là 7 màu sơ cấp bởi không có màu nào có thể bị đổi sang màu khác bằng khúc xạ. Nhưng ông cũng phát hiện ra rằng chúng có thể hòa trộn với nhau. Đặc biệt, ông phát hiện ra vùng ánh sáng ngoại quang phổ (tức không có trong phổ ánh sáng trắng với 7 màu nói trên) khi ông chiếu đầu này của phổ ánh sáng (tím) chồng lên đầu kia (đỏ). Ông thu được màu mà sau này có tên là magenta. Newton cũng phát hiện ra rằng khi chiếu 3 hoặc 4 chùm ánh sáng đơn sắc chồng lên nhau, chúng có thể hòa màu thành màu trắng.

 

Màu magenta (giữa) được tạo bởi chiếu chồng lên nhau hai đầu tím (trái) và đỏ (phải) của quang phổ.

Từ quan sát này Newton đã “dán” đầu và đuôi của phổ ánh sáng nhìn thấy được để sáng tạo ra vòng màu sắc đầu tiên.

Trong vòng màu sắc này, Newton xếp 7 màu tương ứng với 7 cung trong âm nhạc như sau:

Đỏ tương ứng với 1 cung giữa Ré (D) và Mi (E),

Da cam - ½ cung giữa Mi (E) và Fa (F),

Vàng - 1 cung giữa Fa (F) và Sol (G),

Lục - 1 cung giữa Sol (G) và La (A),

Lam - 1 cung giữa La (A) và Si (B),

Chàm - ½ cung giữa Si (B) và Do (C),

Tím - 1 cung giữa Do (C) và Ré (D),

trong đó diện tích các phần EF, hay BC chỉ bằng một nửa diện tích của một trong các phần CD, DE, FG, GA, AB, tương tự như trong gam Do trưởng (C major).

Tuy vậy Newton đã nhầm lẫn khi đồng nhất màu của màu vẽ với ánh sáng mà nó phản chiếu. Thời đó người ta chưa hiểu về ánh sáng hòa sắc theo luật cộng màu trong khi màu vẽ hòa với nhau theo luật trừ màu.

Khi trộn chất màu đỏ, vàng và lam với nhau, Newton đã đồng nhất màu xám thu được với ánh sáng trắng do 3 chùm ánh sáng đỏ, lục và lam hòa với nhau tạo thành. Vì thế Newton đã cho rằng màu vẽ cũng có 7 màu sơ cấp: đỏ, da cam, vàng, lục, làm, chàm, tím, và những màu này cũng hòa với nhau theo quy luật tương tự như 7 màu của quang phổ. Kết luận của Newton mâu thuẫn rõ ràng với thực tế bởi người ta nhanh chóng nhận thấy rằng khi trộn màu vẽ đỏ và lục với nhau, người ta không thu được màu vàng như Newton nói, mà chỉ thu được một màu xám ngoét. Cuộc tranh cãi giữa những người ủng hộ lý thuyết hòa sắc của Newton và những người chống đối đã kéo dài hơn 1 thế kỷ.