Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

При низкой освещенности все мы начинаем страдать цветовой слепотой. Цвет входит в наш мир восприятия с восходом солнца и уходит, когда оно садится. Это, конечно, общеизвестное наблюдение. Мы делаем его буквально каждый день. Но я обнаружил, что в длинные летние вечера оно превращается в интереснейший опыт, когда я настороженно жду этого явления.

Между тем многие виды насекомых и птиц имеют по четыре и даже по пять цветовых рецепторов, в том числе чувствительных к ультрафиолету и даже к поляризации. Многие цветы украшены узором и ярко раскрашены в ультрафиолетовом спектре, чтобы привлечь своих опылителей. Внутри сенсорной вселенной цвета эти существа открывают измерения, которые ускользают от нас.

И есть еще ротоногие ракообразные, или раки-богомолы. Это не отдельный вид, а группа из нескольких сотен отдельных видов, которые имеют свои характерные особенности и ведут похожий образ жизни. Эти существа замечательны во многих отношениях. Вырастая примерно до длины один фут (30 см), они являются одинокими морскими охотниками. Раков-богомолов делят на две группы: «сокрушители» и «протыкатели». Оба вида нападают с потрясающей быстротой и силой. Ротоногих трудно содержать в аквариумах, поскольку они способны разбить стеклянные стены.

Но самой удивительной характеристикой ротоногих является их зрение. В зависимости от вида они могут видеть от 12 до 16 цветовых измерений. Диапазон их чувствительности доходит до восприятия инфракрасных и ультрафиолетовых лучей (см. вклейку Y) и до расшифровки некоторой информации о поляризации.

Почему ротоногие развили свою исключительную одаренность в восприятии цветов – вопрос, вызывающий глубокий интерес. Один из приемлемых ответов – это то, что они используют ее для обмена тайными посланиями с другими раками-богомолами. Лично мне кажется, что они используют свои собственные тела, чтобы создать впечатляющие цветные изображения, практически недоступные для нас, и продемонстрировать свои формы потенциальным партнерам. Это как павлиний хвост, но намного мощнее в воплощении. В поддержку этой идеи мы можем заметить, что некоторые виды ротоногих на самом деле очень ярко окрашены – даже для нас, как вы видите на вклейке Z! – и именно те виды, которые имеют наиболее продвинутое цветовое зрение, раскрашены особенно богато.

Но как же такой маленький мозг ракообразного справляется с таким изобилием сенсорной информации? Этот вопрос является предметом исследований, которые еще продолжаются. Мне кажется вероятным, что раки-богомолы используют технику, которая известна программистам как «векторное квантование» – выражение из профессионального жаргона, которое я сейчас разъясню. Люди очень высококачественно заполняют свое трехмерное цветовое пространство. Мы способны различать соседние точки в этом пространстве и таким образом испытывать миллионы отдельных цветовых ощущений. Ротоногие, возможно, используют куда более грубое представление, когда входная информация из больших областей их 16-мерного пространства имеет один и тот же выход. Там, где мы можем различать точки на достаточно маленьком пространстве, раки-богомолы определяют лишь положение крупных «пузырей», каждый из которых занимает значительно большее пространство. Мы создаем очень грубую (трехмерную) проекцию бесконечномерной входной электромагнитной информации, но скрупулезно обследуем ее, тогда как ротоногие создают более сложную проекцию, но исследуют ее грубо[49].

Восприятие пространства и восприятие времени

Изучив «что» и «как» в цветовом зрении, мы готовы перейти к вопросу «почему?». Естественным образом возникает два «почему»:

Почему люди и многие другие существа питают такой сильный интерес к сверхбыстрым колебаниям в электромагнитном поле?

Если бы я поставил вопрос в форме «Почему люди и многие другие создания питают интерес к свету?», в голову пришло бы столько ответов, что вопрос показался бы смешным.

Но если мы зададим его именно так, как я сформулировал в первый раз (а по существу это тот же самый вопрос), он коснется глубинной сути. Информация о быстрых колебаниях в электромагнитном поле важна для нас как для биологических созданий, потому что это важно для электронов в веществе. Эти электроны часто отвечают на электромагнитные колебания различных частот самыми разными способами, что зависит от их материального окружения. Поэтому свет, излученный Солнцем и дошедший до нас после взаимодействия с веществом, содержит информацию об этом веществе, закодированную в нем электронами последнего.

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.