1.3.1 色彩科学的发展
1.3.1.1 牛顿的光学研究
在颜色问题上，自古以来一直有个难解的谜。太阳光在肉眼看来是没有颜色的，但是雨后的天空会突然出现七色彩虹，于是人们进行种种猜测，有的说这是一条长龙弯身下海吸水；有的说这是一座彩桥，仙人踏空而过；有的说这是吉祥的征兆，上天呈祥。总之，没有人能够将彩虹产生的原理解释清楚。中国古代已注意到彩虹与阳光和水珠有关系，在甲骨文里，“虹”是“日”加“水”两个字组成的。唐代张志和的《玄员子》中记载：“昔日喷乎，水成虹霓之状。”意思是端一碗水背向太阳一喷，眼前也能现出一条多彩小练。但这喷出的霓，若伸手去抓却是一把湿气，想多看一会儿又转瞬即逝，既不能抓在手里玩，又不能将它剖开研究，终究还是弄不清这颜色是怎么来的。至于平时自然界中红色的花、绿色的叶、五颜六色的杂物，人们就更不知道这不同的色彩是怎么形成的。
在欧洲，数学家笛卡尔是这样解释的：颜色是许多小粒子在转，转速不同，颜色也就不同。化学家波义耳说：光是有许多极小粒子向我们的眼睛视网膜上撞，撞的速度不同，呈现的颜色也就不同。为了解开这个谜，古今中外有不少人都在这个问题上努力过，而运气最好的要数牛顿。
牛顿（Isaac Newton，1642—1727）（见图1.3），出生于英国，是世界近代科学技术史上伟大的物理学家、天文学家和数学家。他发现了万有引力定律，创立了天文学、提出了二项式定理和无限理论，创立了数学；认识了力的本性，创立了力学。他还创立了科学的光学，在光学研究中取得了丰硕的成果。
图1.3 牛顿（1642—1727）
在牛顿之前，捷克有一位医生名叫马尔西（1595—1667）曾经做过这样的实验：让一束白光通过三棱镜，结果白光被散射成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色。但是，如果在其中任何一种颜色（如红色）的光线前面再放一个三棱镜，那么透过它的光依然是这种颜色（红色）。牛顿继续深入研究了这个实验（见图1.4）。
图1.4 牛顿的三棱镜试验
1661 年，牛顿就读于剑桥大学的三一学院（Trinity College），修习数学和物理。大学时代初期，牛顿并没有什么特殊表现，后来在巴洛（Isaac Barrow，1630—1677）教授的指导下才迅速展露非凡的天分。1665 年，牛顿获得学士学位，但几个月后，伦敦淋巴腺鼠疫流行，大学关闭停课。牛顿便回到家乡乌尔索普，他利用这段被强迫“放假”的两年时间，认真思考自然界的规律问题。假日中的一天，牛顿在自己房中推演引力的公式。日已当午，门缝里照进一缕细细的阳光，在幽暗的房间里显得格外明亮，这引起了他的注意。他突然想：“从来没有见过这样细的光丝，不知可否将它再分成几缕？”于是便伸手从抽屉里摸出一块三棱镜，迎上去截住那丝细光，然后又回过头去看这光落在墙上的影子，墙上竟出现一段红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的彩色光带。他将镜子转转，光带不变，再前后移动，终于选出一个最佳点，一道彩虹便清楚地出现在他的眼前。从这天起，牛顿一有空，就把自己关在房子里，还把门窗都用床单遮严，放一道光进来，做着这种玩三棱镜的游戏。他已经领悟到一个秘密：我们平时看到的白光，其实不是一色白，它是由许多光混合而成的。但是，那各个单色又是什么呢？它们之间靠什么区别成不同颜色呢？按道理，应将那单色光再分一次，但这还得要一块三棱镜，还得有暗室设备，当时他这个穷学生是办不到的。
牛顿的恩师巴洛与牛顿是忘年之交。一日，巴洛去找牛顿，牛顿将自己的实验发现和正在思考的问题告知了老师，巴洛大为惊喜。第二天，他给牛顿又弄来一块三棱镜，布置一个真正的暗室。他们先让一束光穿过一个黑色木板上的小孔，用三棱镜将它分成七条不同的彩色光，再用一个有孔的木板挡住分解后的光，让每条单色光逐一从孔里通过，木板后再放一个三棱镜。这时，新的发现出现在粉墙上：一是这单色光通过三棱镜时不会再分解，二是各色光束经过三棱镜时折射的角度不同。凭着数学天才和实践才能，牛顿很快就计算出红、绿、蓝三色光的折射指数。这一实验后不久，1669 年年底，牛顿便接替巴洛老师，开始在剑桥大学向学生们开设光学课。1672 年2 月6 日，牛顿向英国皇家学会写了一封详细的信——《光和颜色的新理论》，归纳了十三个命题。他指出：我们平常看见的白光不过是发光体发出的各种颜色光的混合。白光可以分解成从红到紫的七色光谱。一切自然物体之所以显示出不同的颜色，是因为它们对光的反射性能不同。对哪一种光反射得更多些，就是哪种颜色。按这个理论，彩虹的问题解决了，即它不过是白光被空中的水滴（相当于三棱镜）分成七色而已。牛顿因此创立了光谱理论。
1.3.1.2 歌德的色彩研究
在牛顿之后一个多世纪，德国剧作家兼诗人歌德（Johann Wolfgang von Goethe，1749—1832）（见图1.5）又将色彩理论向前推进了一大步。歌德因为他的诗、戏剧、小说而闻名世界，但其实他是一个多方面的天才，在自然科学领域，主要是对比较解剖学、植物学和地质学这几方面有浓厚的兴趣，并作出了一定的贡献。
图1.5 歌德（1749—1832）
1790 年年初，歌德向一位友人借了一块三棱镜，想自己重新研究他心中一直存有疑惑的色彩问题。他打开盒子取出棱镜，透过它朝向一堵白墙投射。他开始认为，按照牛顿的理论，这时应当能看到白光分解为彩虹的现象。但结果出乎他的意料，因为出现在他眼前的仍是一片雪白。然后，他把棱镜朝向窗口，以为直接观察阳光也许会看到分解出来的七色，但这次结果仍然不是他想象的那样。可是，一个意外的结果出现了，那一根根挡住日光的窗棂两侧竟出现了色彩，一侧是蓝和紫，另一侧则是红和黄。歌德认定自己有了新的发现，并且推断：通过棱镜所显现的颜色，不是像牛顿所说那样来自白光的分解，而是来自在黑白分界处光与暗的遭遇。
其实这种现象叫作“边界色”，是完全可以用牛顿的理论解释清楚的。因为在扩展光源照射来的一片白光里，中间各部分所分解开来的各种光谱色互相叠合而重新组成白光，只有在两侧边界上的部分光谱色未受补偿而显现出来。这也就是我们平常使用有（色差）缺陷的光学系统（如望远镜）观察物体时所见到的颜色“镶边”现象。
歌德于1791 到1792 年发表了两篇“光学论文”，公开对牛顿的理论提出挑战。1810年，歌德开始出版他多年潜心研究的成果——专著《颜色论》，系统地阐述他的学说，同时向不同的学术观点开战。歌德执着地把颜色同光学研究隔绝开来，对于颜色现象，他所依靠的只是对自然界整体的直觉，唯恐冰冷的实验仪器和死板的数学玷污了自己对自然界的美妙体验。他曾经说过：“为了了解颜色现象，只需要无偏见的观察和健全的头脑。”
应该承认，在歌德的这部著作里，除了与物理学有关的内容存在错误之外，在其他方面的理论总结确实很有价值。这是因为，颜色感觉其实不单是物理现象，也与生理机制、心理机制和美学规律有关。他将全部色彩分为冷色与暖色两大类，研究了色彩的同时对比现象以及色彩对人们情感的影响。在他的《色彩学》里有这样一节记载：“有一天，我走进一个小旅馆的房间里，一个美艳的少女向我走来。她的脸色洁白而有光泽，头发乌黑，身上穿一件绯红色的紧身衣裙。当她在距我稍远的地段站定时，我在微暗的黄昏光线下对她注视了一会。她离开时，我在对面的白色墙上，看到一个被发亮的光晕包围着的黑色脸庞。那件裹着极其苗条体型的衣裙，竟是美丽的海水绿色。”这段话其实提出了视觉生理上的补色问题。当我们看到的实物突然从红的波段过渡到白的混合波段时，视神经系统不能一下适应，就在中间绿波段上停留片刻。
1.3.1.3 其他对色彩科学有贡献的科学家
法国化学家谢弗勒尔（M.E.Cheyruul，1786—1889），在一家著名的制毯企业当染色指导时，对色彩心理学产生了兴趣。他于1839 年发表论文《论色彩的同时对比规律与物体固有色彩的相互配合》，提出了全新的色彩对比概念与观点，这对后来满腔热情的印象派绘画产生了强烈的影响。按照这一法则，红与绿、黄与紫、青与橙等这些互补色的颜色被相邻放置时，其色彩显得最为鲜艳。但是，将这些颜料在调色板上混合后，色彩便会暗淡。
19 世纪中叶英国物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831—1879），发表了光的电磁波学说，还制作出了为画家们应用的色彩空间混合实验的旋转盘。他在电磁学方面取得了19 世纪物理学上最伟大的成就，是继牛顿之后在历史上作出又一划时代贡献的科学家。1873 年，麦克斯韦出版了巨著《电磁学通论》，归纳出有关电磁场理论，统一了电学、磁学和光学，实现了物理史上第二次大综合。同时，他预言光就是电场和磁场在空间以互相垂直的方式交替传播的波动行为。根据他提出的波动方程，可以得到光在真空中得传播速度c＝300 000 千米/秒。同时，光的频率或波长决定了光的颜色。麦克斯韦理论还表明，电磁波是一个极宽的连续波谱，可见光只是其中很窄的一段，其他部分都是眼睛无法观察到的。
德国心理学家赫林（Edward Hering，1834—1918），在1878 年以心理物理（phychophysical，研究刺激与感觉的关系）的方法进行研究，提出了一种色觉理论，认为视网膜上存在有三对颜色相互拮抗的视锥细胞，即红—绿、黄—蓝、白—黑，这三对细胞的活动结果产生了各种颜色知觉和各种颜色混合现象。