Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Цвет, время и скрытые измерения

Во время нашего разговора об электромагнитных волнах и диапазоне их возможностей мы провели подготовительную работу, чтобы подойти к сложному и очень красивому вопросу о том, что же такое цвет. В то время как само изображение содержит информацию о том, что происходит в пространстве, цвет говорит о том, что происходит во времени. Говоря определенно, цвет дает нам информацию о быстрых изменениях в электромагнитных полях, которые достигают наших глаз.

Чтобы избежать возможной путаницы, позвольте мне подчеркнуть, что информация о времени, которую несет цвет, очень отличается (и в то же время дополняет) ту информацию о времени, которой мы пользуемся, когда в повседневной жизни воссоздаем порядок событий. Грубо говоря, наши глаза 25 раз в секунду делают моментальный кадр, а наш мозг создает из них иллюзию непрерывного кино. Эта конструкция лежит в основе нашего повседневного чувства потока времени. В процессе получения света для этих снимков – как говорят фотографы, за время экспозиции – свет просто накапливается, или интегрируется. Поскольку свет, поступающий в разное время в течение одного временного интервала, смешивается, информация о времени прибытия конкретной порции света внутри каждого интервала теряется.

Цвет, который мы ощущаем, – это способ сохранения очень полезной информации о временнóй микроструктуре сигнала, которая не теряется в процессе усреднения. Цвета дают нам информацию об изменении электромагнитных полей в куда меньшие временные интервалы, порядка 10–14…10–15с, т. е. за несколько миллионных долей от миллиардных долей – секунды! Поскольку предметы в повседневной жизни не могут двигаться так быстро или делать что-то заметное в такие крошечные интервалы времени, два вида временнóй информации – тот, который зашифрован в переходах от одного моментального снимка к другому, и тот, который зашифрован в цветах, – действуют независимо.

Например, когда мы воспринимаем чистый спектральный желтый, наши глаза говорят нам, что входящие электромагнитные волны – это чистые волны, которые повторяют себя примерно 520 000 000 000 000 (520 триллионов) раз в секунду. Когда мы воспринимаем спектральный красный, сообщение гласит, что повторения происходят 450 000 000 000 000 (450 триллионов) раз в секунду.

Вернее, наши глаза могли бы сказать нам такие вещи, если бы они не объединяли предполагаемое сообщение «спектрального желтого» с большим числом других возможных комбинаций, которые также выглядят желтыми, а предполагаемое сообщение «спектрального красного» с (другим) большим количеством комбинаций, которые выглядят красными. Реальное сообщение, которое они передают, остается неопределенным, потому что множество возможных входных данных имеют один и тот же выход.

Настоящий анализ входного сигнала в части цвета должен извлекать ту же информацию, что и ньютоновский анализ света при помощи призмы. Другими словами, такой анализ разделил бы входной сигнал на чистые спектральные компоненты, каждая из которых обладает своей собственной независимой интенсивностью. Чтобы представить результат такого анализа, нам понадобилось бы задать непрерывную бесконечную последовательность чисел, по одному на вклад каждой чистой спектральной компоненты. Такое пространство потенциальной информации, которую несет свет, не просто бесконечно, но имеет бесконечное количество измерений. Однако проекция этой информации, которую воспринимают наши глаза, содержит, как открыл Максвелл, всего три числа.

Коротко говоря: пространство цветовой информации бесконечномерно, но мы воспринимаем как цвет лишь трехмерную поверхность, на которую проецируются эти бесконечные измерения.

Чтобы закончить этот рассказ, я должен также упомянуть об еще одном виде электромагнитной информации, которая имеется в наличии, но тоже игнорируется, когда сигнал достигает нашего глаза. Обратившись снова к вклейке W, вы заметите, что электрические поля (показаны красным) колеблются в вертикальном направлении, тогда как магнитные поля (показаны синим) – в горизонтальном направлении. Также существует другое решение: если вы развернете всю систему на 90°, то электрические поля станут горизонтальными, а магнитные – вертикальными. Это повернутое решение колеблется в том же темпе, что и оригинальное, таким образом, оно представляет тот же самый спектральный цвет. Но физически оно отличается. Новая особенность, которая характеризует это отличие, называется поляризацией волны. Следовательно, электромагнитная информация, входящая в наш глаз, в каждой точке изображения имеет бесконечное количество измерений дважды, потому что для каждого спектрального цвета существуют две возможные поляризации, каждая из которых может быть сильнее или слабее независимо от другой. Человеческое зрение не замечает этого удваивания, потому что человеческий глаз не видит разницы между различными поляризациями света.

Рецепторы света

Главный результат экспериментов Максвелла с комбинированием и сравнением цветов – то, что при смешении трех основных цветов можно получить любой воспринимаемый цвет, – не только вскрыл глубинный факт о том, что такое человеческое восприятие, но также и поднял вопрос «как?», Красивый и информативный ответ на этот вопрос появился в середине XX в., когда биологи исследовали молекулярную природу человеческого зрения. (Забавно отметить, что физики решали задачи биологии, а биологи – физики.)

Главный результат всей этой молекулярной истории со зрением – это то, что информацию о цвете извлекают три вида белковых молекул (родопсины). Когда свет натыкается на одну из этих молекул, есть определенная вероятность того, что молекула поглотит единицу света – фотон – и изменит форму. Изменение формы вызывает небольшой импульс электричества, который является информацией, которую, в свою очередь, наш мозг использует, чтобы конструировать наше чувство зрения.

Далее, вероятность того, что отдельная единица света будет поглощена, зависит и от его спектрального цвета, и от свойств молекулы-рецептора. Один вид рецепторов охотнее поглощает свет из красной части спектра, другой выходит на пик формы на зеленой, а третий – на синей, хотя эта их настройка не является узкой (см. вклейку Y). При обычном уровне освещенности имеется множество фотонов и случается много поглощений. Поэтому названные вероятности переводятся в три точные меры мощности, которую содержит падающий свет, усредненные по трем различным спектральным диапазонам.

Так мы оказываемся чувствительными не только к общему количеству поступающего света, но также к его составу. Если это спектральный красный свет, он будет стимулировать действие чувствительных к красному рецепторов сильнее, чем других, и в результате получится совершенно иной сигнал, нежели от спектрального синего света (который, разумеется, больше всего стимулирует чувствительные к синему рецепторы).

В то же время любой вид падающего света, у которого есть одна и та же способность стимулировать каждый из трех видов рецепторов, – другими словами, который дает те же самые три средневзвешенных значения, – будет «увиден» любым цветовым рецептором точно так же и, следовательно, приведет к точно такому же зрительному восприятию. Нужно взять три числа, чтобы получилось совпадение: в этом молекулы согласны с цветными волчками!

Разновидности цветового зрения

Теперь, когда мы знаем, что искать – содержимое входного сигнала, – мы можем планомерно исследовать биологический мир, подсчитывая рецепторы и замеряя их способности к поглощению, чтобы увидеть новые перспективы цветового восприятия.

У млекопитающих, как правило, слабое цветовое зрение. Красный цвет плаща тореадора нужен для зрителей-людей, а не для быка, потому что быки воспринимают только оттенки серого. У собак с этим получше – они видят двумерное пространство цветов. Мы можем воспроизвести собачье восприятие мира, основанное на двух цветовых рецепторах, как показано на вклейке X.

Страдающие цветовой слепотой (дальтонизмом) люди видят только двумерное пространство воспринимаемых цветов. У них отсутствует один видов белковых рецепторов или имеются мутировавшие белки, которые плохо различают цвета. Цветовая слепота реже поражает женщин, но среди мужчин она достаточно широко распространена – примерно каждый двенадцатый мужчина в северной Европе имеет ее. Страдающий цветовой слепотой человек способен совместить любой цвет из внешнего круга цветного волчка с всего лишь двумя основными цветами – скажем, красным и зеленым – во внутреннем круге (см. вклейку U). Также существуют женщины, которые видят четырехмерное цветовое пространство – тетрахроматы. У них есть дополнительный цветовой белок, который является мутацией обычного. Они могут различать комбинации спектральных цветов, которые большинство людей воспринимают как неотличимые. Кажется, эта способность встречается очень редко и не очень хорошо изучена.