Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

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.

Давайте поразмыслим над тем, что мы сейчас делаем. Отсутствующая информация (зеленый) что-то говорила о структуре света как электромагнитного сигнала во времени. Мы возвращаем ее из небытия как зеленый. Это снова временной сигнал, но замедленный в соответствии с возможностями обработки информации человеком. Мы используем время и мозг, чтобы отворить двери восприятия.

Для людей с нормальным цветовым зрением мы обычно кодируем изображения в трехцветном формате и декодируем их с помощью проекционных приборов, имеющих три цвета. Где бы это ни делалось – на мониторах компьютеров (в том числе и на крошечных дисплеях, встроенных в очки!), на смартфонах или, например, на цифровых проекторах, наше решение для цветовой слепоты можно реализовать в программном обеспечении как измененную схему перехода информации от входа к выходу.

Мы также можем поразмыслить над тем, как применить тот же самый общий подход к «железу». Например, существуют материалы, которые называют электрохромными. Их способность поглощать свет определенного спектра может модулироваться с помощью электрического напряжения. Если мы снабдим обычные очки электрохромным покрытием и подадим на них переменное по времени электрическое напряжение, мы откроем новые цветовые каналы.

Те же основные идеи позволят нам открыть совершенно новые измерения цветового зрения, как показано на вклейке AA. Конечно, до того, как сделать новую информацию доступной, мы сперва должны собрать ее. Тот факт, что цифровая фотография и компьютерная графика основаны на трех, а не на большем количестве основных цветов, не связан ни с какими фундаментальными физическими положениями. Как мы уже видели, существует двойная бесконечность цветов, ждущая нашего обогащенного восприятия. Причины, по которым техника в основном остановилась на трех цветах, следующие:

1. Три основных цвета позволяют нам, как учил Максвелл, синтезировать любой воспринимаемый цвет.

2. Два основных цвета не позволяют этого сделать.

3. Проще и дешевле использовать самое минимальное количество, которое является достаточным.

Но если мы решили расширить восприятие дополнительными измерениями цветового пространства, появление нужных технических приспособлений вполне возможно (и они уже используются в исследовательских целях). Незамысловатая разработка для четырех измерений, пригодная как для цифрового приема, так и для цифровой передачи, показана на вклейке BB.