удавалось уходить от подробностей о природе света, но пришло время коснуться этого глубже.
Свет — это форма излучения энергии, проявляющаяся в виде быстро меняющих друг друга электрических и магнитных полей (электромагнитное излучение). В зависимости от того, какие свойства света мы хотим изучить в конкретном испытании, световое излучение может проявляться перед нами либо как частица, либо как волна, то есть демонстрировать свою двойственную природу или корпускулярно-волновой дуализм.
В экспериментах, в которых мы хотим проверить, является ли свет волной, он охотно показывает нам свои волновые свойства. К примеру, огибает препятствия и при накладывании двух синхронизированных по фазе световых волн друг на друга дает полосы света и тьмы или интерференционную картину.
Ниже вы можете глянуть на картинку из Википедии, где изображен, впервые проведенный Томасом Юнгом в 1801 году двухщелевой эксперимент. [14] В нем мы наблюдаем чередующиеся полосы света и тьмы при наложении вершин и гребней волн света от двух источников.
Исследуя расстояния между полосами света и тьмы, мы можем измерить расстояние между гребнями световых волн, то есть длину волны световых колебаний. В области видимого нами света она находится приблизительно между 380 и 740 нанометрами. Более длинные волны, инфракрасное излучение, мы можем ощущать кожей, например, в случае с теплом от печки, а более короткие, ультрафиолетовые, — как ожог после длительного пребывания на солнце. Но глаз эти волны не видит.
Цвет — это способ, которым наша система зрительного восприятия кодирует различия в длинах волн для своего внутреннего пользования, в частности для передачи информации. Но в физической реальности это электромагнитное излучение никак не окрашено.
Наряду с волновой природой свет проявляет и корпускулярную, то есть ведет себя как частица. Снежинки при допустимых в земной атмосфере скоростях снежной бури никогда не сокрушат ветровое стекло автомобиля, потому что у каждой отдельной снежинки на это не хватит энергии. А вот достаточно крупный град на это способен.
Так вот, световая волна при взаимодействии с веществом ведет себя как рой снежинок или градинок, ударяющих в ветровое стекло. Чем меньше длина волны, тем больше энергия световой частицы. Свет из красной части спектра не сможет выбить электрон из металла под названием «рубидий», для этого нужно излучение потяжелее, как минимум с длиной волны 573 нанометра (из желтой части спектра). Чем короче длина волны и выше ее частота, тем тяжелее градина света и тем более мощную преграду она может сокрушить. В физике этот феномен называется фотоэффектом и его открытие привело к возникновению квантовой механики.
Возьмем для сравнения знакомую нам волну на поверхности воды. У нее есть две характеристики, влияющие на заключенную в ней энергию, — масса и скорость. Энергия определяет мощь удара, который волна может обрушить не препятствие. Скорость волны в определенной среде неизменна, а масса зависит от ее высоты, то есть амплитуды, и расстояния от гребня до гребня, то есть длины волны. Стена, которую не сокрушит метровая волна, не устоит перед пятидесятиметровой, особенно если ее фронт отвесный и она бьет сразу со всей силы. Так вот, у световой волны амплитуды нет, есть только длина, чем она короче, тем резче и мощнее удар, обрушиваемый на препятствие.
Световые градины в физике называются фотонами. Формула энергии фотона не содержит амплитуду, только частоту. Можно считать, что сила всех фотонов одинакова, а можно — что она им вообще не положена, потому что они не волны а частицы. В результате сила света определяется только количеством фотонов и по сути дискретна. По этой причине свет из красной части спектра не способен изменить структуры синего йодопсина и возбудить синий световой рецептор, у него для этого нет достаточной энергии. Синий свет по своей энергии в принципе способен возбудить красный рецептор, но его энергия избыточна, а фотон не может поделиться частью энергии и лететь дальше, ведь в этой игре он — неделимая частица. Он либо поглощается целиком, либо летит мимо. Именно поэтому спектры поглощения химических элементов и несложных молекул обычно очень узкие.
Энергия частичек света так мала, что человеческий глаз не может ощутить отдельный фотон, поэтому люди видят свет как непрерывный поток и не могут различить его дискретность. Глаз древесной лягушки способен различить единичный фотон, очень слабый свет они, по всей видимости, воспринимают как дождик из световых капелек, но лягушки — существа практичные и не тратят свое время на размышления о подобной чепухе.
У нас, Hono Sapience, есть три типа колбочковых рецепторов, которые реагируют на длинноволновую (красную), средневолновую (зеленую) и коротковолновую (синюю) части спектра для ощущения того, что мы называем цветом. Ниже приведен график чувствительности рецепторных элементов сетчатки, палочек и колбочек к длине волны светового излучения. Чувствительность к силе света график не отражает, потому что, напомню, палочки чувствительнее колбочек в 500 раз.
На изображении — график чувствительности рецепторных элементов сетчатки [15]
На основании сигналов, в которых закодированы сообщения от трех первичных рецепторов цвета (красного, зеленого и синего), наше восприятие формирует цветовое пространство, соответствующее всем цветам и оттенкам радуги, ощущаемое нами как цветовой спектр.
Цвет мы придумываем сами. Мы произвольно поделили цветовой спектр на 7 цветов (в соответствии с семью музыкальными нотами) и создали алфавит, состоящий из семи символов. В результате измерения длины волны, происходящего в процессе ощущения, мы получаем число, которое на Темной стороне попадает на какой-то участок на спектральном пространстве и кодируется в виде одного из цветовых символов этого алфавита.
Колбочки преобладают в центральной ямке сетчатки, размером около полтора миллиметра, называемой также желтым пятном, где они расположены очень кучно, обеспечивая нам цветное зрение и резкость изображения. Связи между колбочками центральной ямки и нейронами следующих слоев почти не размываются, это одна колбочка — один или два биполяра — один ганглиарный нейрон. Для достижения остроты зрения каналы данных приходится уже разделять, а не смешивать.
Три первичных
