Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Точно так же вовсе не нужно добавлять все цвета спектра солнечного света в той же самой пропорции, в которой они присутствуют в нем, чтобы получить белый, который выглядит как солнечный свет. Как вы можете видеть на цветной вклейке Т, можно получить вполне убедительный для восприятия белый, смешав только три спектральных цвета, а именно – красный, зеленый и синий. Если вы пропустите такой «белый» луч сквозь призму, вы получите не полную радугу, а только три линии. Как физическая сущность этот луч значительно отличается от солнечного света, но человеческое зрение воспринимает и то и другое одинаково.

Отметим, что результаты, которые вы получите, смешивая несколько разноцветных лучей света, как показано на вклейке Т, полностью отличаются от результатов, которые получаются при смешении пигментов тех же цветов, как вы делаете, когда перемешиваете краски или накладываете друг на друга карандашные штрихи. Когда вы соединяете цветные лучи света, вы просто складываете свет, который они содержат. С красками все по-другому. Мы обычно видим краски, скажем, во время рисования, в отраженном солнечном свете (или каком-то близком искусственном заместителе). Цвет, который мы видим в отраженном свете, зависит от того, какие спектральные цвета отбирают, или поглощают, пигменты во время отражения лучей света. Когда вы во время рисования смешиваете две краски, вы складываете способности поглощения обеих этих красок. Добавление цветов в качестве лучей и добавление цветовой абсорбции (за которую отвечают пигменты) – очень разные вещи. Например, вы достаточно легко получите черный – отсутствие отражения, – смешав достаточное количество различных пигментов, но никогда не сможете добиться этого, комбинируя лучи света различных цветов. Поэтому не должно быть ничего удивительного в том, что существуют совершенно разные правила для комбинации лучей света и для смешивания пигментов различных цветов. Сложение лучей в принципе проще и физически более фундаментально, чем смешивание пигментов, и именно это мы обсудим далее.

Цветные волчки и цветные коробки

Существенное наблюдение о том, что разные комбинации спектральных цветов могут выглядеть одинаково, естественным образом ведет к более широкому вопросу: какие именно комбинации выглядят одинаково? Какого рода пространство, которому принадлежат воспринимаемые цвета?

До, во время и после написания своей эпохальной теоретической работы, утверждающей электромагнитную природу света, Максвелл проделал огромное количество экспериментов именно по этим вопросам. Его результаты в этой области при ближайшем рассмотрении воистину фундаментальны. Как мы обсудим далее, они привели к зарождению важных технологий и могут дать нам еще больше.

На илл. 23 изображен молодой Максвелл. Как вы можете заметить, он держит в руке круглый предмет необычного вида. То, что вы видите, это волчок, разработанный им специально для того, чтобы изучать цветовое восприятие. Вы заметите, что фотография черно-белая. Цветная фотография еще не была изобретена – сам Максвелл сделает это немного позже!

Цветной волчок кажется игрушкой, и в чем-то это так и есть, но также он является и кое-чем более значительным. Простая, но глубокая идея превращает цветной волчок в мощный инструмент изучения цветового восприятия.

Илл. 23. Максвелл держит в руке один из первых цветных волчков

Хотя мы пребываем в уверенности, что наше зрение открывает нам «мгновенное», относящееся к данному моменту состояние мира и демонстрирует нам постоянное и непрерывное отражение происходящих во времени событий, в реальности дело обстоит совсем по-другому. Наше зрение – это всего лишь чуть больше, чем серия моментальных снимков, каждый из которых делается со временем выдержки примерно в 1/25 секунды. Наш мозг заполняет промежутки между этими моментальными снимками, чтобы создать иллюзию непрерывности. Этот факт используется в кино и телевидении: если изображение обновляется достаточно быстро, то мы не чувствуем, что оно является последовательностью кадров или серией быстрых обновлений пикселей. Цветной волчок действует, как описано ниже, благодаря тому же самому эффекту инерционности зрения.

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.