Фрэнк Вильчек - Красота физики. Постигая устройство природы

Если говорить простым языком, цвет предметов зашифровывает в себе информацию о том, из чего они сделаны. Конечно, вы знаете об этом из опыта. Но теперь вы также знаете в понятиях фундаментальной науки то, что сами изучали лишь опытным путем!

Почему зрение так отличается от слуха? В конце концов оба чувства связаны с получением информации, доходящей до нас в колебаниях, прибывающих в виде волн. Зрение имеет дело с колебаниями электромагнитного поля, слух – с колебаниями воздуха. Но способы, которыми мы воспринимаем аккорды света и аккорды звука, кардинально, качественно отличаются.

Позвольте мне уточнить этот вопрос. Когда мы воспринимаем несколько чистых тонов, звучащих вместе, мы слышим аккорд, в котором каждый тон сохраняет свою собственную индивидуальность. В аккорде до мажор вы можете услышать до, ми и соль отдельно, и вы, конечно, заметите качественную разницу, если один из тонов будет отсутствовать или будет звучать заметно громче, чем другие. Аккорды могут быть более сложными, с большим количеством отдельных тонов, каждый из которых звучит по-разному, и так практически без ограничений (в конце концов, они начинают звучать отстойно, но это всегда отстой с членораздельными составляющими).

С другой стороны, как мы уже обсуждали, когда мы принимаем несколько чистых световых тонов – иначе говоря, спектральные цвета – вместе, мы видим новый цвет, в котором индивидуальность его компонент теряется. Например, смешение зеленого и красного даст в восприятии желтый, который по ощущениям неотличим от спектрального желтого. Это как если бы вы сыграли вместе до и ми и в результате получили ре!

Ясно, что слух лучше обрабатывает свой основанный на времени материал.

Физика слуха – это физика резонансных колебаний, как мы уже говорили ранее. Существует четкая физическая причина, почему со светом нужно обращаться по-другому. Колебания электромагнитных полей в видимом свете для любой реальной механической системы слишком быстры, чтобы она могла им следовать. Поэтому стратегия, которая используется для слуха, где колебания воздуха вызывают резонансные колебания в наших головах, не будет работать. Чтобы попасть в лад с колебаниями света, нам нужно использовать гораздо меньшие размером и более шустрые ответчики.

Для света подходящими рецепторами являются отдельные электроны. Но в субатомном мире электронов вступает в силу квантовая механика, и правила игры меняются. Передача информации от света к электронам может происходить только за счет передачи части энергии света. Однако в соответствии с квантовыми правилами такие передачи энергии происходят в виде отдельных событий типа «все или ничего» – при поглощении фотонов – и в непредсказуемые моменты времени. Эти эффекты делают передачу информации менее надежной, и ее сложнее контролировать.

И это – если излагать вопрос еще более строго – объясняет, почему наше восприятие временно́й структуры света, зашифрованной в цвете, грубее, чем наше восприятие временно́й структуры звука, зашифрованной в музыкальной гармонии. Виновата квантовая механика. Имея несколько рецепторов различных видов, настроенных на различные характеристики, мы извлекаем лишь часть временно́й информации света. Ведь для зрения нет никаких аналогов вибрирующей мембраны внутреннего уха, где звук целиком раскладывается «по полочкам», как по клавишам фортепиано.

А вот для переноса информации о пространственной структуре предметов у света по сравнению со звуком есть значительное преимущество. У звуковых волн как носителей пространственной информации имеется недостаток – они просто очень велики. Не случайно длины этих волн сравнимы с размером таких музыкальных инструментов, как гитара, пианино или трубы церковного органа. Поэтому они не могут дать нам представление об объектах, намного меньших этого размера. Для света такой проблемы нет – длины волн видимого света немного меньше, чем одна миллионная доля метра.

Зрение – в основном пространственное чувство, тогда как слух – в основном временно́е, и, как мы видели, на это имеются глубокие физические основания.

А теперь давайте используем чуточку воображения, поднимаясь от твердой почвы вопросов «что», «как» и «почему» в фантастический пейзаж «что, если», «как бы» и «почему нет».

Наши глаза – это чудесные органы чувств, но они многого не замечают. Основываясь на пространственной информации в поступающем свете – в основном на направлении приходящих лучей света, – они производят последовательность образов внешнего мира. Однако, как мы только что обсудили в деталях, они сохраняют только небольшую часть входной временно́й информации и полностью игнорируют поляризацию. Каждый пиксель нашего поля зрения потенциально содержит двойную бесконечность аккордов, но мы видим только цвет – трехмерную проекцию.

Человеческий мозг – это наш высший орган чувств. Мозг определил, что существуют невидимые бесконечности, скрытые в свете. Наше восприятие цвета проецирует дважды бесконечномерное пространство физического цвета на трехмерную стену нашей внутренней Пещеры. Можем ли мы бежать из Пещеры, чтобы открыть дополнительные измерения?

Думаю, можем, и сейчас я кратко расскажу как. (Моя философская идея: если раки-богомолы могут делать это, значит, и мы можем.)

Для начала давайте рассмотрим упрощенную версию проблемы, которая все же имеет практическое значение. Мы достаточно точно знаем, какую информацию не получают люди, страдающие цветовой слепотой, а именно – одну из средних величин спектральной интенсивности, за которую отвечают отсутствующие у них белковые рецепторы. Как мы можем восстановить эту информацию?

Делая это, мы хотим поместить цветовую информацию туда, где она должна быть, – внутрь визуального образа. Таким образом мы должны извлечь пользу из доступных рецепторов, чтобы синтезировать новые. А еще мы хотим, чтобы новая информация оказалась на правильном месте внутри образа. Если говорить конкретно, давайте назовем то, восприятие чего отсутствующий рецептор обеспечивает в норме, «зеленым», а наш искусственный заменяющий сигнал – « зеленым ». Далее мы хотим гарантировать, что части нашего изображения, которые содержат много настоящего зеленого, будут обеспечены зеленым в нужной пропорции.

Чтобы удовлетворить этим требованиям – добавлять информацию в нужное место, используя существующие рецепторы, – нам нужно ввести в сигнал новую структуру, которую существующие рецепторы могут распознать. Элегантный способ сделать это – модулировать сигнал во времени. Например, мы можем закодировать зеленый как дополнительные переливы, пульсацию , или, говоря в общем, временную модуляцию – изменяющиеся во времени текстуры воспринимаемых цветов, локальная интенсивность которых пропорциональна зеленому в исходном образе.