Helmholtz pubblica quasi contemporaneamente i suoi primi due lavori sul colore nel 1852. Nel primo si rivolge al problema dei Grundfarben (colori primari) e cerca di determinare mediante esperimenti quanti e quali siano. Gli esperimenti gli indicano che non esistono tre colori in natura che possano generare per mescolanza tutti gli altri senza eccezioni.

Nel secondo di questi lavori attacca la teoria dei colori anti-newtoniana di David Brewster (fisico scozzese, 1781-1868).

Così Helmholtz ritiene di poter respingere la teoria dei tre recettori di Thomas Young, avanzando la tacita ipotesi che le sensazioni di colore corrispondenti ai primari di Young dovessero essere colori spettrali.

In questo lavoro Helmholtz enuncia tra l'altro la fondamentale distinzione tra mescolanze additive e mescolanze sottrattive di colori, sfidando la secolare credenza che la mescolanza di luci si comporti allo stesso modo della mescolanza di pigmenti: in questo tranello era caduto anche Newton in uno dei suoi esperimenti. La mescolanza di due luci è additiva, quella di due pigmenti è sottrattiva in quanto ogni pigmento assorbe una parte dei colori dello spettro. due tipi di mescolanza obbediscono a regole completamente diverse.

Con il suo apparato sperimentale, progettato in modo che si potessero mescolare due colori spettrali senza altre interferenze, Helmholtz prova che il modello usato per i pigmenti non funziona per le luci: una luce gialla e una blu, se mescolate in giusta proporzione, producono luce bianca e non verde (pigmenti gialli e blu danno verde). E la luce gialla stessa è una mescolanza di luce rossa e verde.

Un primo merito di Helmholtz è quello di aver definitivamente chiarito la differenza tra fenomeni oggettivi (dovuti alla composizione spettrale della luce) e fenomeni soggettivi della percezione del colore.

I raggi luminosi di diversa lunghezza d'onda e colore si distinguono, per quanto riguarda la loro azione fisiologica, dalle note di diversa frequenza di vibrazione per il fatto che ogni coppia dei primi che agiscano simultaneamente sulla stessa fibra nervosa dà luogo ad una sensazione semplice nella quale anche l'organo più esercitato non può distinguere i singoli elementi componenti, mentre due note, sebbene eccitino con la loro azione unitaria la sensazione peculiare dell'armonia o della discordanza, possono tuttavia essere sempre singolarmente distinte dall'orecchio.

L'unione delle impressioni di due diversi colori in un singolo colore è evidentemente un fenomeno fisiologico, che dipende unicamente dalla peculiare reazione dei nervi visivi. Nel puro dominio fisico, tale unione non ha obiettivamente mai luogo. Raggi di colori diversi procedono fianco a fianco senza una qualunque azione reciproca e sebbene all'occhio possano apparire uniti, possono sempre essere separati uno dall'altro con, mezzi fisici.

Questi risultati erano conformi a quelli di Newton, il quale aveva scritto che non era mai riuscito a produrre un bianco perfetto mescolando colori spettrali. Helmholtz quindi nei suoi primi due articoli sul colore difende e conferma la posizione di Newton, stranamente senza mai farne esplicito riferimento. Probabilmente Helmholtz riteneva che la regola baricentrica di Newton fosse perfettamente valida nella mescolanza sottrattiva di pigmenti, ma probabilmente non valida nella mescolanza di luci.

Dopo la dimostrazione generale di Grassmann che, secondo la teoria di Newton e secondo gli stessi precedenti esperimenti di Helmholtz, esistono un numero infinito di coppie complementari nello spettro, Helmholtz adotta immediatamente la interpretazione "continua" di Grassmann, perfeziona i propri strumenti, ripete gli esperimenti e trova che i colori da rosso a giallo di lunghezza d’onda 2082 sono complementari ai colori da verde (1818) a violetto.

In contrasto con Grassmann (e con Newton) Helmholtz trova però che i colori compresi tra giallo e verde, non hanno complementari ma possono essere neutralizzati con mescolanze di rosso e violetto, i colori viola. Il luogo di queste sensazioni dei colori (non spettrali) viola è un segmento rettilineo ch congiunge violetto e rosso. Quindi il diagramma non è più un cerchio.

Helmoltz inoltre però che secondo la regola del baricentro i colori spettrali non possono essere considerati ugualmente saturi e quindi non possono essere equidistanti dal punto bianco, e quindi il diagramma non è nemmeno un cerchio. In altre parole, nelle varie coppie di complementari, i due colori entrano in quantità diversa, uno maggiore dell'altro. Per esempio con il giallo e l'indaco, la quantità di indaco è minima in confronto a quella di giallo. Questi risultati sono espressi da Helmholtz in un diagramma (provvisorio, poiché i suoi esperimenti non gli forniscono dati completi) che comunque costituiscono una prima revisione del diagramma circolare di Newton e Grassmann.

Nel 1869 J. J. Müller, sotto la direzione di Helmholtz, ripete gli esperimenti con apparecchi perfezionati e trova che i colori dal rosso ad un verde/giallo possono essere, in modo approssimato, disposti su un segmento retto. E così anche per i colori dal violetto ad un verde/azzurro. Tra questo verde/giallo e questo verde/azzurro la curva è invece propriamente convessa.

Con questi esperimenti Helmholtz avvia quindi la revisione del cerchio cromatico di Newton, la cui ipotesi che i colori dello spettro fossero disposti in un certo modo sulla circonferenza di un cerchio va quindi via via precisandosi: non si tratta di un cerchio ma di una curva chiusa da un segmento rettilineo.

Helmholtz tuttavia non introduce nessuna tecnica sistematica di sperimentazione pratica per la precisa determinazione della curva. Grassmann aveva tracciato la teroia, Helmholtz l'aveva precisata con importanti esperimenti, ma spetterà a Maxwell trasformare tutto questo in una procedura matematica per la determinazione della forma del diagramma cromatico.

La prova definitiva a favore dell’ipotesi di Young fu ottenuta tuttavia solo nel 1959 quando, esaminando al microscopio la capacità di singoli coni di assorbire luce di diverse lunghezze d’onda, due gruppi di ricercatori americani scoprirono solo tre tipi di coni. Assieme ai bastoncelli (che sono di un solo tipo e sono responsabili della capacità di vedere con poca luce e in bianco e nero), i tre tipi di coni formano i recettori visivi della retina. 

La risposta dei coni agli stimoli di colore non sono "esclusive". Oggi sappiamo che il primo tipo reagisce con la massima intensità agli stimoli di 430 nm (nanometri) che corrisponde ad un blu, ma anche a tutti gli stimoli tra 400 e 500 nm; il secondo tipo massimamente agli stimoli di 530 nm, un verde, ma anche a tutti gli stimoli che vanno dal blu all'arancio; e il terzo agli stimoli di 560 nm (un rosso) ma anche a tutti gli stimoli che vanno dal blu al rosso.

Johannes von Kries (1853-1928) un altro prussiano (dopo Grassmann e Helmholtz). Ha riconciliato la teoria dei tre colori di Helmholtz con quella dei colori opponenti di Hering (la nuova teoria è detta teoria delle zone). A lui si deve la prima teoria sull'adattamento cromatico.
Max-Planck-Instituts für Wissenschaftsgeschichte
Wikipedia (tedesco)

Arthur König (1856-1901) ha fatto la prima stima realistica delle sensibilità dei coni nel 1892.
Wikipedia (inglese)

Wissenschaftliche Abhandlungen von Hermann von Helmholtz, 3 volumi, Leipzig, J. A. Barth, 1892-1895 (in tedesco)

Gli articoli di Helmholtz sul colore sono (in tedesco)

(1852) "Über die Theorie der zusammengesetzen Farben",
(Poggendorff's) Annalen der Physik und Chemie 87 45-66
(Müller) Archiv für Anatomie und Physiologie u. wiss. Med., 1852, pag. 461-482

trad. ingl. "On the theory of compound colours" in Philosophical Magazine, Serial 4, 4, 519-535. 

(1852) "Über Herrn D. Bewster's neue Analyse des Sonnenlichts",
(Poggendorff's) Annalen der Physik und Chemie 86 501-523

trad. ingl. "On Brewster's New Analysis of Solar Light" Philosophical Magazine, Serial 4, 4

(1855) "Über die Zusammensetzung von Spectralfarben"
(Poggendorff's) Annalen der Physik und Chemie 94 1-28

Il suo fondamentale Manuale di ottica fisiologica ha avuto diverse edizioni in tedesco ed inglese.

La prima edizione in tedesco dell'Handbuch der physiologischen Optik è stata pubblicata dall'editore Leopold Voss in tre parti uscite rispettivamente nel 1856 (sulla fisiologia dell'occhio), 1860 (sulla sensazione visiva) e 1866 (sulla percezione) .

La seconda edizione in tedesco, rielaborata, è stata pubblicata tra il 1885 e il 1896 (due anni dopo la sua morte).

La terza edizione in tedesco è apparsa nel 1909 con contributi di Gullstrand, von Kries e Nagel.

La prima edizione in inglese è la traduzione della terza edizione in tedesco ed è del 1924, pubblicata dalla Optical Society of America. Brani di questa edizione (pubblicata successivamente anche da Dover, Gryphon e Thoemmes) si trovano in

(1970) Sources of Color Science, a cura di D. L. Mac Adam, MIT Press

(1902) Leo Koenigsberger Hermann von Helmholtz;
edizione originale in tedesco
edizione in inglese: Clarendon Press, 1906, con prefazione di Lord Kelvin; Dover 1965;

(2001) Michel Meulders Helmholz. Des Lumières aux neurosciences Éditions Odile Jacob; traduzione italiana: (2005) Helmholz. Dal secolo dei Lumi alle neuroscienze Bollati Boringhieri (a cura di Mario Piccolino e Giacomo Magrini)

Wikipedia: italiano inglese tedesco francese

Il Virtual Laboratory dell'Istituto per la storia della Scienza di Berlino ha messo online l'intera prima edizione in tedesco dell'Handbuch der physiologischen Optik, un PDF di 904 pagine, che si può scaricare da questo link.

Vita, biografia, ritratti.

L'Università di Pennsilvania ha messo online l'intera prima edizione inglese del Treatise on Physiological Optics a questo link.