Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Научные журналы / Техника - молодёжи
Начало сайта / Научные журналы / Техника - молодёжи

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Бермудский треугольник: мифы и реальность

Время, хранимое как драгоценность

Генри Форд. Моя жизнь, мои достижения

Плеяда великих медиков

Ум хорошо...

Часы. От гномона до атомных часов

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Научно-популярные статьи

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

Сверхъязык электромагнитных волн? Вполне возможно...

Юрий НЕМЧИНОВ

Образ в зеркале, зеркальное отображение – знакомое всем оптическое явление. Оно создает почти полную иллюзию реальности. Но если спросить, где именно, в каком месте пространства находится зеркальный образ предмета и что он собой представляет, то многие, и среди них даже физики, ответят неправильно. Потому что еще со школьной скамьи усвоено, что зеркала дают мнимое изображение, выстраиваемое чисто геометрическим путем по ту сторону отражающей поверхности, как показано на рис. 1. Это так называемое «изображение» именуют еще условным и даже фиктивным. Но на самом-то деле световые лучи за зеркало не проникают и никаких изображений там не создают. В книгах можно прочесть: «... эта фикция превращается в реальность, как только в оптическую схему включается глаз наблюдателя».

Мнимое изображение в зеркале

Рис. 1. Мнимое изображение в зеркале

Вдумайтесь только: фикция превращается в реальность! Так трактует явление лучевая (геометрическая) оптика. Но еще Гёте считал, что изображения не приходят в глаз в виде лучей, а создаются в нем сложным, еще не во всем понятным нам способом. С ним солидарен другой немецкий поэт, Райнер-Мария Рильке, который написал такие строки:

Нет, вас никто, Зеркала, не осмыслил,
В душу никто к вам еще не проник.

Правда, шаг к преодолению создавшейся парадоксальной ситуации сделала квантово-волновая теория света. В этой теории идеально прямой луч, не имеющий пространственно-временной структуры, уступил место колебательному процессу с математическим образом – синусоидой. Однако и тут речь идет лишь о дальнейшем приближении к действительности. Основные источники света – атомы – никогда не испускают его непрерывными синусоидами. Напротив, их излучение носит прерывистый, дискретный характер, ибо все атомы генерируют свет только в виде отдельных квантов электромагнитного поля – фотонов.

Реальное изображение в зеркале

Рис. 2. Реальное изображение в зеркале

Каждый фотон – уже сам по себе чрезвычайно сложный сгусток волн, в формировании которого участвует множество простых синусоидальных колебаний – гармоник. Поэтому нагретые тела испускают световые потоки в виде смеси так называемых волновых пакетов, или групп волн. В свою очередь, различные приемники света расщепляют эти потоки на отдельные группы волн, которые взаимодействуют с веществом, например, с той же зеркальной поверхностью. В результате от нее идут во всех направлениях точно такие же, но вторичные группы волн (рис. 2). Причем вторичные волны взаимодействуют и между собой, и с первичными волнами, создавая в пространстве перед зеркалом (а не позади него!) сложную интерференционную структуру, в которой и закодирован зеркальный образ, скажем, свечи. Так что зеркало, отражая световой поток от нее, как бы формирует ее световую копию прямо перед собой, и глаз наблюдателя воспринимает вполне реальное оптическое явление, а не мнимое изображение где-то в Зазеркалье!

По-видимому, обыкновенное плоское зеркало реализует весьма своеобразный способ голографирования – довольно полного отображения информации, когда предметная и опорная волны идут одновременно от одного и того же источника света. Ведь при достаточно хорошем отражении мы не в состоянии отличить реальный предмет от его зеркального двойника, на чем основаны многие оптические обманы и фокусы. Не исключено, что и механизм нашего зрения обладает способностью отображать оптическую информацию с использованием тех же принципов светового кодирования. Каким может быть этот код волновых пакетов, мы пока еще в точности не знаем. Так сказать, код в мешке...

Кое-что проясняют законы зеркальной симметрии. Почему угол падения равен углу отражения? Откуда атомы отражающей поверхности могут знать, что они обязаны испускать вторичные группы волн в точности под теми же углами, под которыми на них падают потоки первичных фотонов от свечи? Вероятно, с каждой группой волн надо связывать какие-то элементы пространственно-временной симметрии с определенной внутренней метрикой. Но тогда придется говорить о кодировании и передаче метрической информации в конкретной знаковой форме на уровне атомов при посредстве электромагнитных излучений.

Одно из определений знака в семиотике гласит, что он представляет собой дискретное состояние знаковой системы в данный момент времени. Это обнадеживающе сближает науку о свойствах знаковых систем с теорией информации и физикой. Ведь все физические тела, включая и живые организмы, состоят из огромного, хотя и конечного, дискретного множества однородных микрочастиц – атомов и молекул. Ведут они себя как статистические машины: в них постоянно и случайным образом реализуется некий выбор энергетических состояний. Каков будет этот выбор, заранее предсказать невозможно. Но он есть, а там, где совершается выбор, появляются сигналы, возникают информационные сообщения, причем информация находится в определенной кодовой зависимости от ее носителя.

В сущности, весь электромагнитный спектр, какую бы энергию ни несли отдельные его участки, представляет излучения физических тел. Однако уже в простом опыте по разложению белого света с помощью призмы обнаруживается удивительный красочный порядок, который наглядно демонстрирует не только энергетический, но и явно семиотический (знаковый) характер спектра.

Каждое монохроматическое колебание, как известно, характеризуется длиной волны или частотой. Это строго периодический процесс в пространстве и во времени, ему отвечает какая-то одна синусоида или гармоника. Правда, такое колебание не поддается обнаружению, ибо его спектральная линия имеет нулевую ширину. Тем не менее, с каждой гармоникой связана вполне определенная энергия, пропорциональная квадрату амплитуды или частоте. Поэтому, выбирая в качестве ключевого семиотического элемента в спектре именно гармоническую составляющую, мы имеем возможность придать ей конкретный информационный смысл. Ведь каждая гармоника-синусоида обладает внутренней метрикой, имеет собственную меру протяженности пространства – длину волны и собственную меру длительности времени – период колебаний. При своем распространении такая волна делит, или квантует, пространство и время на простейшие метрические элементы.

Стало быть, все гармонические составляющие электромагнитного спектра можно рассматривать как своего рода механизм квантования пространства-времени и передачи соответствующей метрической информации между различными физическими системами. По существу, это новая, необычная, хотя и очень простая интерпретация электромагнитного процесса, протекающего на всех структурных уровнях материи.

Напомню: информация возникает при разрешении неопределенностей типа ноль-единица, включено-выключено, орел-решка, плюс-минус. Выбор одного из двух кодовых знаков дает количественную меру информации, измеряемую в битах на символ.

Покажем, что с электромагнитным излучением может быть связана четкая схема кодирования. Для этого снова обратимся к главной героине нашего рассказа – гармонике-синусоиде. В течение одного периода она – такое просто нельзя не заметить – возникает дважды: то как положительная, то как отрицательная полуволна. Но это вполне естественный способ генерирования двоичных знаков! Она действительно выступает в роли элементарного сообщения. И если под символом понимать саму гармонику, то она дает не более одного бита информации на символ. При наложении (суперпозиции) гармоник станут возникать все новые и новые комбинации двоичных знаков, которые будут кодовыми представлениями метрической информации.

Пусть, например, между знаками последовательности 10101010 появляются точно такие же знаки, с той же вероятностью, но другой частотой повторения, что соответствует наложению двух гармоник с отношением частот 1:2 и одинаковыми начальными фазами. В результате получится новая комбинация двоичных знаков: 101100 101100101100. А если между знаками этой последовательности вставить новые 1 и 0, наложив три гармоники с отношением частот 1:2:4, то получится более сложная комбинация.

Оказывается, при наложении гармоник, частоты которых удваиваются в геометрической прогрессии и начальные фазы совпадают, возникает общая закономерность роста длины блоков повторяющихся комбинаций 1 и 0. Эта закономерность выражается формулой: Ak = 2·(2k – 1), где k – число участвующих в наложении гармоник. Конечно, возможны и другие схемы суперпозиции гармоник, другие комбинации и закономерности блокового кодирования. Но здесь уже начинается смысловая сторона дела, которая имеет прямое отношение к трудным поискам оптимального двоичного кода при решении информационных задач.

По-видимому, в пределах каждой спектральной группы волн, создаваемой нагретым телом и представляемой в разложении рядом Фурье (см. статью «Преобразование Фурье»), должна существовать своя кодовая зависимость. Она, эта зависимость, и обеспечивает эффективную передачу соответствующей метрической информации. Причем дискретным набором спектральных единиц внутри гармоник происходит квантование непрерывных интервалов пространства и времени с произвольной степенью точности. Тут является на ум математическая аналогия – вычисление иррациональных величин непрерывным увеличением количества знаков, дающих все более точное приближение к истинному значению этих величин. А с физической точки зрения перед нами – своеобразная измерительная процедура, протекающая в самой природе и дающая некую метрическую информацию, закодированную в спектре.

Напрашивается такое обобщение: электромагнитный спектр – это своего рода знаковая сверхсистема, или метаязык, обеспечивающий передачу и прием метрической информации между всеми физическими телами, включая живые организмы. А раз так, то и мы с помощью своих органов чувств принимаем и расшифровываем метрическую информацию в процессе познания окружающего нас мира. Ведь наше зрение, слух, обоняние, вкус и осязание действуют на уровне атомов только при посредстве электромагнетизма. «Познание есть чувственное измерение»,– тонко заметил один из философов.

Если рассматривать атомы в качестве устройств, кодирующих и декодирующих метрическую информацию, то возникает реальная возможность «стыковки» физики с теорией информации, с далеко идущими параллелями в области знаковых явлений на одном из самых элементарных уровней природы.

Еще недавно считали, что свет оказывает на сетчатку глаза чисто энергетическое действие и что зрительные образы формируются подобно фотографическим изображениям. Но, как было сказано, в световом потоке «спрятана» также и кодовая зависимость, которая отвечает за реальное формирование оптического образа предмета. И этот закодированный оптический образ существует не на сетчатке глаза, а еще перед ней – в тех волновых интерференционных полях, которые окружают любое физическое тело.

Понятно, доступ к той или иной информации лежит только через расшифровку кода, через его «прочтение». В зрительном восприятии – это сложный, многоступенчатый процесс, связанный с последовательным перекодированием исходной оптической информации на различных структурных уровнях глаза и мозга. Начавшись в светочувствительных палочках и колбочках сетчатки, процесс продолжается в зрительных центрах мозга и завершается в коре больших полушарий, где все то, что мы видим, переходит в сферу сознания и получает языковое выражение. Несомненно, что и во внутреннем, психическом мире должны существовать свои носители информации и соответствующие коды мозга, опосредующие не только формирование зрительных образов, но и адекватных им языковых конструкций. Только при таком подходе можно понять и логически «связать несвязуемое» в едином информационном процессе.

Допустим, что оптическая информация об источнике «прочитана» и перекодирована в сетчатке глаза в биоэлектрические сигналы. Пусть эти сигналы по нервным волокнам попадают в зрительные центры мозга. Что дальше? Где и во что будут перекодированы электрические импульсы? На каком структурном уровне вещества мозга и с помощью какого конкретного носителя информации будет сформирован, наконец, зрительный образ предмета?

Возможно, биоэлектрические сигналы, поступающие из сетчатки в зрительные центры мозга, в свою очередь, перекодируются в эквивалентные биохимические явления на молекулярном уровне каждой нервной клетки. Ведь мозг постоянно вырабатывает множество химически активных веществ (гормонов), которые определяют и контролируют состояние человеческой психики. А психохимия знает и такие вещества, которые особенно активно воздействуют на зрение (например, печально знаменитые наркотики – галлюциногены).

Идя по непрерывной цепи превращения оптической информации в зрительную, можно добраться и до самых глубоких функциональных структур мозга, до отдельных групп молекул и атомов. И здесь кодовым инвариантом поступающей в мозг информации снова могут выступить электромагнитные явления. Тогда, по словам Гёте, «внутренний свет встретит внешний», и круг замкнется. Но это всего лишь догадка. А что, если поставить вопрос прямо: существует ли в живом мозге свет в обычном физическом смысле, то есть в виде квантов электромагнитного поля? Любой физик ответит: поскольку мозг построен из атомов, то в принципе электромагнитные процессы в нем возможны, и они могут иметь самое прямое отношение к формированию зрительных образов. По-видимому, психические явления – естественное продолжение явлений световых в голове наблюдателя. И круг действительно замыкается!

«Свет истины», «блеск идей», «озарение»... Мы часто употребляем подобные аллегории, и это, думается, не случайно. Какой-то «засекреченный секрет» тут есть. Свет действительно занимает особое положение не только в физическом, но и психическом мире. Он тесно связан с явлениями, определяющими самую суть нашего разума. Недаром еще Гегель полагал, что между видением мира, формированием зрительных образов и процессами мышления есть глубокие психофизические параллели. «В реальном мире отождествленная с сущностью форма сияет в качестве света, так же как в идеальном мире сияет сама мысль»,– писал знаменитый немецкий философ.

Напрашивается вывод и об условности деления мира на внешний и внутренний, физический и психический. На самом деле мир един, и мы принадлежим ему каждым своим атомом. Все, что происходит в человеческой голове при формировании зрительных образов, вместе с тем происходит в самой природе и имеет единую физико-информационную основу с явлением света.

 

Ранее опубликовано:

Техника – молодёжи. 1988. №11.

См. также:

  1. Лаврус. В.С. Свет и тепло. Свет, зрение и цвет. НиТ, 1997.
  2. Карташкин А. Преобразование Фурье. НиТ, 2000.

Дата публикации:

3 декабря 2002 года

Электронная версия:

© НиТ. Научные журналы, 2002

В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Издания НиТ | Подписка
Карта сайта | Cовместные проекты | Журнал «Сумбур» | Игумен Валериан | Техническая библиотека
© МОО «Наука и техника», 1997...2017
Об организацииАудиторияСвязаться с намиРазместить рекламуПравовая информация
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика