Текст книги "Вселенная внутри вас"

Принцип спасателя

Переходя из воздуха в воду или стекло, свет ведет себя так же, как спасатели на пляже. Представьте себе такого спасателя в красном жилете, который замечает, что кто-то тонет. Первое побуждение, которое возникает в таких случаях, – бежать к утопающему по прямой линии. Но это не самый быстрый путь. Лучше пробежать некоторое расстояние вдоль берега до того места, откуда плыть будет короче. Ведь бежать по земле всегда быстрее, чем плыть по воде. Общая дистанция при этом несколько увеличивается, но человек, терпящий бедствие, получит помощь быстрее.

То же самое происходит, когда свет переходит из менее плотной среды в более плотную (например, стекло или воду). Поскольку свет в стекле движется медленнее, он сможет попасть к месту назначения быстрее, если сначала проделает лишнюю часть пути по воздуху, а затем пройдет более короткую дистанцию в стекле. Это и есть «принцип спасателя», который экономит время на дорогу.

Во всех этих рассуждениях мы исходим из предположения, что скорость света в стекле замедляется. Но замедлить ее не так-то просто. На самом деле свет в любой среде должен двигаться с одинаковой скоростью. В противном случае он просто прекратит существование. Квантовая теория объясняет, почему такое замедление все же происходит. Фотоны постоянно взаимодействуют с материей, особенно с электронами, находящимися на периферии атомов. При слишком сильном сближении электрон поглощает энергию фотона и тем самым повышает уровень своей энергии.

Правда, в этом случае электрон обычно становится менее стабильным. Он с легкостью перескакивает в прежнее энергетическое состояние и излучает новый фотон. Возможно, этот фотон полетит в том же направлении, а может, совершенно в другом. В большинстве случаев в прозрачной среде реэмиссия фотона осуществляется в прежнем направлении, и прямолинейность движения света сохраняется. Но на поглощение и реэмиссию тратится определенное время. В связи с этим скорость света замедляется.

В непрозрачном веществе вторичные фотоны испускаются не в том направлении, в котором двигались прежде. Именно эти фотоны попадают в наши глаза, и в результате мы видим объект. Мы привыкли считать, что свет отражается от предметов, словно мяч от стенки, и попадает к нам в глаза. На самом деле он поглощается предметом и излучается повторно. Большинство объектов лучше поглощают свет определенной части спектра (превращая его в тепло). В зависимости от того, какую часть спектра объект поглощает и какую испускает, мы можем видеть его цвет. Например, если объект поглощает все цвета радуги, кроме красного, мы видим его красным.

Взгляд сквозь чечевицу

Поскольку линза, в том числе и та, что имеется в нашем глазу, по форме напоминает зерно чечевицы (само слово «линза», кстати, происходит от латинского lет – чечевица), пучок света, преломившийся в месте входа, проходит сквозь нее и повторно преломляется в точке выхода. Изогнутая поверхность линзы приводит к тому, что фотоны, летевшие первоначально в разных направлениях, собираются в одну точку. Если говорить о линзе, находящейся в передней части нашего глаза, то она фокусирует изображение отдаленных предметов на сетчатке, благодаря чему мы можем их видеть.

Однако у линз есть одна проблема: они по-разному реагируют на разные цвета. Степень преломления света зависит от его цвета. Именно по этой причине луч белого света, прошедший через призму, дает на выходе радужный спектр. В двояковыпуклой линзе синий цвет отклоняется чуть сильнее остальных, а красный, наоборот, чуть слабее. В результате изображение, полученное с помощью такой линзы, будет искажено за счет размытого радужного обрамления по краям.

Обычно эту проблему решают, добавляя к двояковыпуклой линзе корректирующую двояковогнутую или используя вместо линзы зеркало. Изогнутые зеркала тоже фокусируют лучи света, идущие с различных направлений, но при этом не проявляют избирательности по отношению к цветам.

Отчасти именно поэтому почти во всех астрономических телескопах используются не линзы, а зеркала. Такие телескопы (рефлекторы), кроме того, значительно короче, чем рефракторы, построенные на основе линз и имеющие такую же степень увеличения.

Затемненное зеркало

Как и в случае с непрозрачными объектами, отражение света от зеркала совершенно не похоже на отскок мяча от стенки, если взглянуть на этот процесс с точки зрения квантовой теории. Попадая на поверхность зеркала, фотон может отразиться от него под любым случайным углом. (Слово «отразиться» я использую здесь только для краткости. Не забывайте, что фотоны не отражаются. Каждый фотон сначала поглощается зеркалом, а потом испускается вновь, но конечный эффект выглядит так, словно происходит отражение.)

Представьте себе луч света, попадающий на зеркало, и отражающийся от него в ваши глаза. В соответствии с квантовой теорией он не попадает в центр зеркала и не отражается затем под тем же углом в ваши глаза, как рисуют на картинках в школьных учебниках. Фотоны имеют возможность с разной вероятностью избрать любой возможный путь и попасть на любой участок зеркала, а затем под самыми разными углами отразиться от него и, возможно, попасть в ваш глаз. При этом каждый фотон обладает фазой, меняющейся с течением времени. Если сложить вместе все вероятности путей, которые могут избрать фотоны, и фазы, которые они имеют на протяжении пути, то большинство из них окажутся взаимоисключающими. В конечном итоге останется только путь, по которому свет может пройти за наименьшее время. Обычно при этом угол падения света на зеркало равен углу отражения.

Отражение света от зеркала с нанесенными темными полосами

Но если все остальные вероятности взаимно компенсируют друг друга, то это еще не означает, что их не существует. И вы можете в этом убедиться. Если вы чем-нибудь закроете зеркало, оставив открытым только небольшой участок в середине, то, естественно, не сможете получить отражение от закрытой поверхности. Но нанесите на открытый участок тонкие темные полосы, и вы увидите то, чего не должны были бы видеть, если бы свет отражался под «правильным» углом. Дело в том, что эти полосы помогают увидеть и другие пути фотонов, чьи фазы ориентированы в одном направлении.

Но даже если вам не охота самим возиться с нанесением полос на зеркало, вы все же сможете увидеть отражение под необычным углом, вызванное квантовым эффектом. Видимый белый свет представляет собой смесь различных цветов, каждый из которых при попадании на полосатое зеркало должен отражаться под разным углом. И такое зеркало есть практически у каждого из вас. Это компакт-диск. Поверните его к себе зеркальной стороной и слегка наклоните по отношению к источнику света. Радужный узор, который вы увидите, объясняется рядами бороздок на поверхности, которые позволяют выборочно отражаться только фотонам, пути которых имеют определенную вероятность. В результате различные участки спектра отражаются по-разному и под неожиданным углом.

Искаженные цвета

Зеркала прекрасно фокусируют свет, не разлагая его на составляющие цвета, но ваш глаз не смог бы работать, если бы в нем вместо линзы было зеркало. Устройство глаза таково, что зеркало не сможет направить лучи света от Альнилама (или любого другого объекта) на воспринимающую поверхность. Поэтому глаз вынужден использовать линзу, а это значит, что неизбежна хроматическая аберрация (цветовое искажение). Если бы вы могли видеть подлинное изображение, которое создается линзой в глазу, то оно имело бы окантовку из радужных полос по краям. Однако, как мы увидим ниже, мозг старается создать из поступающих сигналов наилучшее из возможных изображений, поэтому «исправляет» его, устраняя попутно и аберрационный эффект.

Это значит, что, используя различные цветовые сочетания на картине, мы можем создать иллюзию трехмерности изображения или, скажем, эффект, который будет создавать дискомфорт для зрения. Например, красные буквы на синем фоне вызывают неприятные ощущения при чтении. Такой ярко выраженный цветовой контраст вызывает сильную хроматическую аберрацию, и мозг с трудом справляется с устранением этого эффекта.

Эксперимент с линзами в вашем глазу

Отличный пример того, как мозг оказывается неспособным справиться с сильной хроматической аберрацией, вы можете увидеть на сайте www.universeinsideyou.com. Выберите на странице раздел Experiments и в нем тему The lenses of your eyes. Там вы увидите два варианта написания слова «Illusion». Даже трудно понять, почему эти изображения вызывают у вас неприятное чувство, но все дело в том, что мозг изо всех сил старается справиться с чрезвычайно сильной цветовой аберрацией.

В связи с этим, кстати, интересно упомянуть, что вы не способны видеть свет как таковой. Подобное утверждение может показаться противоречащим всякой логике, но я имею в виду, что увидеть свет так, как, например, дерево или собаку, невозможно. Свет, попадающий на сетчатку глаза, со здает зрительный образ. Да, вы видите предметы, когда они излучают или отражают свет и его фотоны взаимодействуют с вашими зрительными рецепторами. Но вы не способны видеть свет, проходящий мимо вас.

И это хорошо. Пространство вокруг вас заполнено светом и другими невидимыми формами электромагнитного излучения. Солнечный и искусственный свет, радиоволны, сигналы мобильных телефонов и других беспроводных средств связи – все это, по сути, одна и та же разновидность энергии. Если бы все эти потоки были видимыми, то мы вообще ничего не смогли бы разглядеть в этой мешанине. Если вы направите луч света в черную трубу и посмотрите внутрь через окошко, вырезанное в ее стенке, то ничего не увидите. Луч, проходящий внутри трубы, невидим. Его можно увидеть лишь в том случае, если что-то внутри трубы будет его рассеивать (например, дым, который используется во всевозможных лазерных шоу).

Ловля фотонов

На задней стенке глазного яблока располагается сетчатка – своеобразный экран для восприятия света. Именно на нее проецируется изображение Альнилама, когда вы смотрите на ночное звездное небо. Этот экран покрыт сетью, состоящей примерно из 130 миллионов крошечных сенсоров, имеющих две формы – палочек и колбочек. Палочки воспринимают только черно-белое изображение. Их насчитывается порядка 120 миллионов, и они значительно чувствительнее, чем три вида колбочек, которые воспринимают цвет. При слабой освещенности колбочки вообще не работают. В этих условиях мы видим окружающую действительность черно-белой. Не только дети, но и многие взрослые отказываются верить в это, пока не убедятся на собственном опыте.

Если вы тоже сомневаетесь в неспособности глаза различать цвета при слабой освещенности, плотно зашторьте окна или дождитесь ночи. Посидите пару минут, чтобы глаза привыкли к темноте. Если вы вообще ничего не видите, включите ночник и накройте его покрывалом.

А теперь осмотритесь вокруг. Взгляните на свою одежду, кожу, окружающие предметы. Конечно, все выглядит немного не так, как в черно-белом кино, но цвета вы различить не сможете. Если цвет вам все-таки виден, значит, света еще слишком много. Уменьшите освещенность до такого уровня, чтобы очертания предметов были едва различимы, и попробуйте еще раз.

При цветном зрении используются комбинации трех первичных цветов – красного, синего и зеленого, из которых можно скомпоновать все остальные цвета. Возможно, вам приходилось слышать, что основными цветами являются синий, красный и желтый, но на самом деле это упрощенная версия для школьников, в которой речь идет о вторичных цветах – голубом, пурпурном и желтом, которые являются визуальными негативами первичных. Вторичные цвета используются для смешивания красящих пигментов, поскольку пигменты поглощают первичные цвета света.

Ночное зрение сильно отличается от цветного и регистрирует только уровень освещенности. Однако имеется и смешанный тип зрения (так называемая мезопия или сумеречное зрение), когда используются оба вида чувствительных элементов сетчатки. При этом возникают совершенно особые ощущения. Сумеречное зрение обладает необычными чертами. Пожалуй, именно этим объясняется тот факт, что в сумерках людям часто видятся призраки и другие визуальные феномены. Это как раз то время, когда зрение чаще всего обманывает нас, поскольку обе системы соперничают между собой, снабжая мозг визуальной информацией.

Цветовые колбочки сконцентрированы в центре сетчатки. Если же освещение слабое, то порой мы видим лучше, глядя на предмет не прямым, а боковым зрением. В этом случае изображение фокусируется на палочках, которых больше на периферии сетчатки. Похоже, наши глаза специально устроены таким образом, чтобы в темноте можно было боковым зрением заметить подкрадывающегося хищника. Три типа колбочек воспринимают, соответственно, красный, синий и зеленый цвета, хотя эти диапазоны у них в значительной степени перекрываются. Скорее, можно сказать, что их максимальная чувствительность настроена на один из цветов. Не у всех животных можно наблюдать такой набор светочувствительных элементов. Одни вообще не различают цветов. У других, в частности у собак, цветовое зрение сильно ограничено, так как у них в сетчатке только два типа колбочек.

Из глаза в мозг

Фотоны, прошедшие путь от Альнилама до вашего глаза, достигают наконец задней поверхности сетчатки (как ни странно, световые рецепторы глаза повернуты задом наперед и обращены не вперед, а назад, что может объясняться какой-нибудь эволюционной ошибкой). На поверхности каждого сенсора находятся специальные светочувствительные молекулы (фоторецепторы). Когда электроны этих молекул поглощают фотон, возникает слабый электрический импульс, который служит пусковым механизмом для отправки сигнала в мозг.

Перед передачей в оптический нерв сигналы комбинируются. Количество нервных волокон, подходящих к глазу, намного меньше, чем количество рецепторов, поэтому на одно нервное окончание поступают сигналы сразу от нескольких чувствительных элементов, что требует некоторой предварительной обработки сигналов. Как правило, нервы от правого глаза посылают информацию в левое полушарие мозга, и наоборот, однако некоторое количество нервных волокон не перекрещивается, поэтому часть сигналов от правого глаза обрабатывается правым полушарием параллельно с сигналами, поступившими от левого глаза. Перекрещивание нервных путей позволяет нам получать трехмерное изображение, а вот у птиц, к примеру, глаза в значительной степени работают независимо друг от друга и перекрещивание зрительных нервов выражено намного слабее.

До сих пор мы имели дело только с электрическими сигналами, посылаемыми в мозг. Затем мозг начинает обрабатывать эту информацию, используя набор модулей, отвечающих за различные аспекты зрения. Эти модули не ограничены какими-то определенными участками мозга, а имеют, скорее, функциональный характер. В их задачу входит фиксация движения, выделение деталей, определение формы, соотнесение с привычными визуальными моделями и т. п.

После первоначальной обработки данных мозг создает на их основе образ. Он конструирует ночное небо со звездой Альнилам в центре. Все это совершенно не похоже на фотографию. То, что вы «видите», – это образ, искусственно сконструированный мозгом на основе сигналов и их обработки. Можно даже сказать, что он менее реален, чем обычная фотография.

Искусственный образ мира

Такая искусственная природа зрения является причиной возникновения оптических иллюзий. Ваш мозг непрерывно конструирует образы такими, какими они, по его мнению, должны быть, а не такими, какими их видят глаза. Так, например, на сетчатку проецируется перевернутое изображение, но мозг переворачивает его с головы на ноги. Этот феномен можно доказать с помощью специальных очков, переворачивающих изображение. Уже через несколько часов мозгу это надоедает и он восстанавливает правильную ориентацию картинки. Даже в таких очках люди опять начинают все видеть нормально.

Еще один пример того, как мозг вас обманывает, – это способ, с помощью которого он устраняет слепое пятно. Часть вашей сетчатки в том месте, где к ней подходит зрительный нерв, не обладает чувствительностью, так как там отсутствуют сенсоры. Однако ваш мозг, совмещая информацию, поступающую от двух глаз, ликвидирует этот пробел в изображении. Точно так же, когда вы смотрите на звезду в ночном небе, вам кажется, что ваши глаза не движутся и взгляд устремлен в одну точку. В действительности же глаза непрерывно совершают мелкие, как бы ощупывающие движения.

Эти движения глаз помогают мозгу создать более детальную картину окружающего мира. Совершаются они очень быстро – быстрее, чем любой другой частью тела. Глаз при этом поворачивается на 10 градусов менее чем за 1/100 секунды. Если бы вы действительно наблюдали все то, что отображается на сетчатке, картинка была бы расплывчатой и скачущей, но мозг постоянно редактирует его и устраняет то, что необязательно нужно видеть.

Эксперимент по введению мозга в заблуждение

Перед вами простой пример, позволяющий понять, каким образом ваш сложнейшим образом устроенный мозг может приходить к ложным выводам о форме и цвете предметов.

Все мы знакомы с тем, как должна выглядеть шахматная доска, а мозг хорошо разбирается в эффектах света и тени. Однако рисунок специально выполнен таким образом, чтобы ввести его в заблуждение. Вы совершенно отчетливо видите, что один из черных квадратов А в верхней части доски намного темнее, чем белый квадрат Б. На самом же деле оба квадрата окрашены в абсолютно одинаковый серый оттенок.

Это достаточно легко проверить, если согнуть страницу и совместить оба квадрата. Вы сами увидите, что их окраска совершенно одинакова. Если вы не хотите мять книгу, зайдите на сайт www.universeinsideyou.com, выберите раздел Experiments и в нем тему Chessboard experiment. В видеоролике квадрат А сдвигается к квадрату Б и вы можете собственными глазами увидеть, что они имеют абсолютно одинаковый оттенок.

Оптическая иллюзия на шахматной доске

Квантовая реальность

Вы уже неоднократно слышали о том, что фотон, который пересек пространство, чтобы вы могли увидеть звезду, является квантовой частицей. Но что это на самом деле значит? В последнее время слово «квант» часто употребляется совершенно не к месту, особенно когда рекламируются какие-то новшества вроде «квантовой вибрационной терапии» или превозносится «квантовый скачок» в развитии какой-то отрасли. Это лишь создает путаницу в головах.

В физическом смысле квант – это мельчайшая возможная часть, самая крошечная порция чего-либо существующего. Как мы уже видели, первоначально это слово употреблялось по отношению к частице, которую позже назвали фотоном, но сегодня квантовая физика занимается изучением и других мельчайших частиц.

Когда в начале XX века в научной среде появилось понятие кванта, все очень быстро поняли, что это нечто очень странное и необычное, своего рода Страна чудес, где частицы ведут себя совсем не так, как более крупные объекты в привычном нам повседневном мире. Бросая мяч, мы можем предсказать, как он себя поведет (при наличии достаточной информации). Но когда мы имеем дело с местоположением или характером движения квантовой частицы, речь может идти только о вероятностях. Вероятность трансформируется в точные данные только в момент измерения.

Опыт Юнга

Пожалуй, самой яркой демонстрацией странностей квантового мира может служить эксперимент, который был проведен в начале 1800‑х годов Томасом Юнгом с целью доказательства волновой природы света. Для этого луч света направлялся через пару узких прорезей и затем попадал на экран, установленный на некотором отдалении. Вместо того чтобы высветиться на экране в виде двух ярких полос, он образовывал последовательность расплывчатых светлых и темных участков.

Опыт Юнга

Это рассматривалось как доказательство волновой природы света, так как пятна на экране представляли собой интерференционный узор. Когда две волны на поверхности воды сталкиваются под некоторым углом друг к другу, возникает характерный узор. Если в точке соприкосновения обе волны находятся в верхней точке, их фазы складываются, образуя дополнительный подъем. Если обе находятся в нижней точке, в месте соприкосновения образуется более глубокая впадина. Если же в момент соприкосновения одна волна находится в верхней фазе, а вторая – в нижней, они взаимно компенсируются, и в этом месте можно наблюдать ровную поверхность воды. Это и есть интерференция. Очевидно, свет в этом опыте вел себя так же: темные полосы на экране обозначали компенсацию фаз, а светлые – их сложение.

Такая интерференция была бы невозможна, если бы свет представлял собой поток частиц. Представьте себе поток мелких частиц, направляемых в стену с двумя прорезями.

Они просто пролетели бы сквозь щели в прямом направлении, не образуя никаких узоров. Но, как вы уже знаете, свет – это поток фотонов. Почему же происходит интерференция? К слову, даже если вы будете запускать фотоны через щель по одному, они все равно создадут интерференционный узор. С чем же они в таком случае взаимодействуют?

Вот тут-то и начинаются квантовые странности. Это происходит из-за того, что фотон проходит сквозь обе щели и интерферирует сам с собой! Вспомните, что квантовая частица может избрать любой возможный путь от А до Б, но с разной вероятностью. Поскольку фотон не имеет точного местоположения, а только комбинацию вероятностей, он проходит через обе щели. Вероятность того, где он может быть найден, распределяется подобно волне, и именно эта вероятность создает интерференционный эффект частиц.

Если вы поставите специальные детекторы, которые будут определять, через какую именно щель прошел фотон, интерференционный узор исчезнет, а на экране появятся яркие точки, чего и следовало бы ожидать, если бы фотоны были просто частицами. При проведении измерений фотон вынужден занимать определенное положение в пространстве, а не распределяться по нему в соответствии с вероятностью, поэтому проходит только сквозь одну щель. Достаточно лишь обратить внимание на фотон, чтобы он полностью изменил свое поведение.