Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

На своих цветных волчках Максвелл располагал вдоль окружности две полоски цветной бумаги, как это показано на вклейке U. Благодаря инерционности зрения, когда мы быстро раскручиваем этот диск с двумя полосками вокруг их центра, мы воспринимаем смешение цветов, которое создает цветная часть каждой полоски, так, как мы воспринимали бы цветные лучи света. В этом гениальность цветного волчка Максвелла: когда мы смотрим на волчок, наши глаза складывают отраженные лучи. Цветные волчки, сконструированные Максвеллом, позволяют нам узнать вполне систематическим и количественным образом, какие комбинации цветов выглядят одинаково.

Конечно, мы должны еще проверить, сообщают ли разные люди, смотрящие на волчки, об одинаковых совпадениях. В основном это так, хотя среди вполне обычных людей встречаются небольшие вариации. Также мы должны допустить исключения для нескольких видов дальтонизма и учитывать возможность того, что некоторая часть населения обладает особой, более сильной способностью к различению цветов. Мы обсудим эти отклонения от нормы позже. По большей части, однако, большинство людей дают одинаковые ответы. Так появляется неисчерпаемая тема для маловразумительных философских дебатов – имеют ли разные люди одинаковое субъективное восприятие, скажем, красного цвета. Что мы можем сказать точно, так это то, что мое отображение, или проекция физического света в воспринимаемые цвета очень близко совпадает с вашим. Я тоже вижу многие соединения спектральных цветов как желтый, а многие другие – как пурпурный. Что еще важнее, мы приходим к согласию по поводу того, из каких цветов составлено каждое сочетание. Если бы это было не так, рассуждения людей о том, где какой цвет, были бы чересчур запутанными.

Главный результат, полученный из этих исследований, – это то, что, используя всего три цвета на внутренней полоске, мы можем получить совпадение с любым цветом на внешней. Так, например, мы можем использовать спектральный красный, зеленый и синий в правильной пропорции, чтобы получить оранжевый, розовато-лиловый, зеленовато-желтый, красновато-коричневый, небесно-голубой, цвет темного пиона или любой другой желаемый цвет. Тремя основными цветами не обязательно должны быть красный, зеленый и синий (RGB[46]) – вполне подойдут любые три, в том числе и комбинации цветов, при условии, что они независимы. (Если один из выбранных вами основных цветов может быть представлен как комбинация двух других, он не дает никаких новых возможностей.) В то же время три основных цвета нам необходимы. Если вы ограничите себя двумя основными цветами – не важно какими, – тогда, смешивая их, вы не сможете получить большую часть цветов.

Иначе говоря, мы можем обозначить любой воспринимаемый цвет, сказав, сколько красного, зеленого и синего взято для того, чтобы получить его. Это полностью аналогично тому, как мы можем определить место, сказав, насколько далеко от нас оно находится в направлениях север – юг, восток – запад и по вертикали. Обычное пространство – это трехмерный континуум, и таким же является пространство воспринимаемых цветов.

Возвращаясь к вклейке Т, мы можем видеть, что наш основной результат состоит в том, что, регулируя относительную интенсивность различных лучей, мы можем заставить появиться в середине, где свет от всех трех лучей перекрывается, любой воспринимаемый цвет, а не только белый.

В последующей работе Максвелл придумал, как соединить лучи света напрямую, используя приспособления, которые он называл цветными коробками. Главная идея такого приспособления проста – извлечь цвета из призматической радуги в тех местах и пропорциях, которые вам нужны, затем собрать их заново, используя зеркала и линзы. Конкретная реализация в силу ограничений технологий того времени была очень хитроумной. По сути, единственным доступным источником света было солнце, а единственным доступным датчиком – человеческий глаз. Цветные коробки Максвелла были огромными – шести футов[47] в длину и более – и наполнены зеркалами, призмами и линзами. Хотя они были громоздкими, цветные коробки обеспечивали гораздо большую точность измерений, чем могли дать цветные волчки.

Идея Максвелла – подвергнуть свет разделению, преобразованию и снова соединению – опережала свое время. Современные технологии должны дать нам возможности попытаться произвести со светом гораздо более смелые манипуляции, о чем я расскажу далее.

Тот факт, что можно синтезировать все воспринимаемые глазом цвета, смешивая только три цвета, широко применяется в современной цветной фотографии, телевидении и компьютерной графике. Например, в цветной фотографии используется три вида светочувствительных красителей. На компьютерных мониторах три вида источников цветного света. Когда вам обещают «миллионы цветов» на экране, это относится к миллионам различных способов совместить относительную интенсивность этих источников. Другими словами, берутся миллионы различных точек, но все – внутри трехмерного пространства.

Для художников возможность получить один и тот же воспринимаемый цвет многими различными способами открывает творческие перспективы. Вы можете добавить местную текстуру, сохраняя в то же время общий (усредненный) цвет. Это, по существу, другой вид цветного волчка, который использует инерционность зрения в пространстве, а не во времени. Пространственное усреднение менее грубо и потому обеспечивает более широкую палитру вариантов. В особенности часто подобными возможностями пользовались импрессионисты, создавая шедевры, как на картине на вклейке V – это Клод Моне «Стог (закат солнца)» из его цикла «Стога».

Добавляя различные пигменты отдельно, на различных (хотя и расположенных очень близко) частях холста, а не накладывая их друг на друга, импрессионисты следовали стратегии, похожей на ту, которая используется в цветных волчках Максвелла, но перенесенной из времени в пространство. В обоих случаях свет из различных мест комбинируется согласно правилам сложения лучей, поскольку художник смешивает не краски, а отражаемый ими свет.

Максвелл дал нам новую концепцию того, чем же является свет и каково наше восприятие света. А это совершенно разные вещи! Как предугадал Блейк, они бесконечно различны.

Сравнивая полную информацию о мире вокруг с информацией, которую мы улавливаем, мы можем достаточно точно определить то, что теряется. Затем мы можем как следует поразмыслить о том, как восстановить хотя бы часть этих потерь.

Я упомянул о появлении света из уравнений Максвелла в предыдущей главе. Теперь мне бы хотелось исследовать этот вопрос немного глубже. В качестве вознаграждения мы сможем прочно ухватить утерянные бесконечности.

Максвелл описывает свой фундаментальный подход к свету таким образом: