Фрэнк Вильчек - Красота физики. Постигая устройство природы

Если б врата познания были открыты, людям открылась бы бесконечность.

Но люди укрылись от мира и видят его лишь в узкие щели своих пещер.

Уильям Блейк. Бракосочетание Рая и Ада [45] Блейк У. Избранные стихи. Сборник. – М.: Прогресс, 1982.

В этой главе мы уделим отдельное внимание особой составляющей нашего вопроса – красивой идее о том, что, лучше понимая, как мы воспринимаем мир, мы можем расширить наш опыт познания мира.

Фантастическая «мультимедийная» поэма Уильяма Блейка «Бракосочетание Рая и Ада» стремится к тому, чтобы объединить, как заявляет автор, «то, что в религии называется Добром и Злом» (см. вклейку S). Согласно Блейку, «Добро пассивно и подчиняется Мысли. Зло активно и порождается Действием. Добро – это Рай, Зло – это Ад». Цели нашей медитации – найти гармонию Идеального и Реального и увидеть вещи целиком – говорят о том же стремлении.

Блейк обращается к образу пещеры, и эта отсылка заставляет вспомнить платонову Пещеру. Узники платоновой Пещеры видели мир черно-белым, им была неведома красота цвета. Хотя в нашем случае мы не дошли до такой крайности, мы тоже ощущаем только маленькую часть из всего, что может предложить свет.

Мы сопоставим полностью реальность света, которую призвано воспринимать зрение, с той проекцией реальности, которую человеческое зрение получает в действительности. Эту проблему любил Максвелл и многое сделал для того, чтобы ее прояснить.

В этом контексте мы подкрепим доказательствами провидческую интуицию Блейка, отвечая на два вопроса, которые он поднимает:

• Существуют ли бесконечности, которые закрыты от нас? Да. Мир физического света – это вдвойне бесконечномерное пространство, из которого мы воспринимаем только его трехмерную проекцию.

• Сможем ли мы снять с них покрывало неизвестности? Да. Вопрос не в том, возможно ли это , поскольку, разумеется, возможно, но в том, как это сделать на практике.

Наше исследование восприятия света также станет прекрасной подготовкой к пониманию глубокой сущности проекта, по которому построена сама Природа, в следующих главах.

Желтый – один из тех цветов, которые появляются в радуге и в спектре, получающемся при прохождении солнечного света сквозь призму. Спектральный желтый является одним из чистых цветов Ньютона, так же как и красный, зеленый и синий.

Но есть и другая, очень отличающаяся форма света, который выглядит желтым. Мы можем соединить спектральный красный и спектральный зеленый, чтобы получить не спектральный, но вполне убедительный цвет, который мы воспринимаем как желтый (см. вклейку Т). Полученный таким образом желтый очень отличается от спектрального желтого как физическая сущность, хотя оба этих цвета воспринимаются как идентичные.

Точно так же вовсе не нужно добавлять все цвета спектра солнечного света в той же самой пропорции, в которой они присутствуют в нем, чтобы получить белый, который выглядит как солнечный свет. Как вы можете видеть на цветной вклейке Т, можно получить вполне убедительный для восприятия белый, смешав только три спектральных цвета, а именно – красный, зеленый и синий. Если вы пропустите такой «белый» луч сквозь призму, вы получите не полную радугу, а только три линии. Как физическая сущность этот луч значительно отличается от солнечного света, но человеческое зрение воспринимает и то и другое одинаково.

Отметим, что результаты, которые вы получите, смешивая несколько разноцветных лучей света, как показано на вклейке Т, полностью отличаются от результатов, которые получаются при смешении пигментов тех же цветов, как вы делаете, когда перемешиваете краски или накладываете друг на друга карандашные штрихи. Когда вы соединяете цветные лучи света, вы просто складываете свет, который они содержат. С красками все по-другому. Мы обычно видим краски, скажем, во время рисования, в отраженном солнечном свете (или каком-то близком искусственном заместителе). Цвет, который мы видим в отраженном свете, зависит от того, какие спектральные цвета отбирают, или поглощают, пигменты во время отражения лучей света. Когда вы во время рисования смешиваете две краски, вы складываете способности поглощения обеих этих красок. Добавление цветов в качестве лучей и добавление цветовой абсорбции (за которую отвечают пигменты) – очень разные вещи. Например, вы достаточно легко получите черный – отсутствие отражения, – смешав достаточное количество различных пигментов, но никогда не сможете добиться этого, комбинируя лучи света различных цветов. Поэтому не должно быть ничего удивительного в том, что существуют совершенно разные правила для комбинации лучей света и для смешивания пигментов различных цветов. Сложение лучей в принципе проще и физически более фундаментально, чем смешивание пигментов, и именно это мы обсудим далее.

Существенное наблюдение о том, что разные комбинации спектральных цветов могут выглядеть одинаково, естественным образом ведет к более широкому вопросу: какие именно комбинации выглядят одинаково? Какого рода пространство, которому принадлежат воспринимаемые цвета?

До, во время и после написания своей эпохальной теоретической работы, утверждающей электромагнитную природу света, Максвелл проделал огромное количество экспериментов именно по этим вопросам. Его результаты в этой области при ближайшем рассмотрении воистину фундаментальны. Как мы обсудим далее, они привели к зарождению важных технологий и могут дать нам еще больше.

На илл. 23 изображен молодой Максвелл. Как вы можете заметить, он держит в руке круглый предмет необычного вида. То, что вы видите, это волчок, разработанный им специально для того, чтобы изучать цветовое восприятие. Вы заметите, что фотография черно-белая. Цветная фотография еще не была изобретена – сам Максвелл сделает это немного позже!

Цветной волчок кажется игрушкой, и в чем-то это так и есть, но также он является и кое-чем более значительным. Простая, но глубокая идея превращает цветной волчок в мощный инструмент изучения цветового восприятия.

Илл. 23. Максвелл держит в руке один из первых цветных волчков

Хотя мы пребываем в уверенности, что наше зрение открывает нам «мгновенное», относящееся к данному моменту состояние мира и демонстрирует нам постоянное и непрерывное отражение происходящих во времени событий, в реальности дело обстоит совсем по-другому. Наше зрение – это всего лишь чуть больше, чем серия моментальных снимков, каждый из которых делается со временем выдержки примерно в 1/25 секунды. Наш мозг заполняет промежутки между этими моментальными снимками, чтобы создать иллюзию непрерывности. Этот факт используется в кино и телевидении: если изображение обновляется достаточно быстро, то мы не чувствуем, что оно является последовательностью кадров или серией быстрых обновлений пикселей. Цветной волчок действует, как описано ниже, благодаря тому же самому эффекту инерционности зрения.