Юрій НЕМЧИНОВ

Образ в дзеркалі, дзеркальне відображення - знайоме всім оптичне явище. Воно створює майже повну ілюзію реальності. Але якщо запитати, де саме, в якому місці простору знаходиться дзеркальний образ предмета і що він собою являє, то багато, і серед них навіть фізики, дадуть відповідь неправильно. Тому що ще зі шкільної лави засвоєно, що дзеркала дають уявне зображення, вибудовується чисто геометричним шляхом по ту сторону відбиває, як показано на рис. 1. Це так зване «зображення» називають ще умовним і навіть фіктивним. Але на самій-то справі світлові промені за дзеркало не проникають і ніяких зображень там не створюють. У книгах можна прочитати: «... ця фікція перетворюється в реальність, як тільки в оптичну схему включається очей спостерігача».

Мал. 1. Уявне зображення в дзеркалі

Вдумайтеся тільки: фікція перетворюється в реальність! Так трактує явище променева (геометрична) оптика. Але ще Гете вважав, що зображення не приходять в око у вигляді променів, а створюються в ньому складним, ще не в усьому зрозумілим нам способом. З ним солідарний інший німецький поет, Райнер-Марія Рільке, який написав такі рядки:

Ні, вас ніхто, Дзеркала, які не осмислив,
В душу ніхто до вас ще не проник.

Правда, крок до подолання створилася парадоксальної ситуації зробила квантово-хвильової теорії світла. У цій теорії ідеально прямий промінь, який не має просторово-часової структури, поступився місцем коливального процесу з математичним чином - синусоїдою. Однак і тут мова йде лише про подальше наближення до дійсності. Основні джерела світла - атоми - ніколи не випускають його безперервними синусоїдами. Навпаки, їх випромінювання носить переривчастий, дискретний характер, бо всі атоми генерують світло тільки у вигляді окремих квантів електромагнітного поля - фотонів.

Мал. 2. Реальне зображення в дзеркалі

Кожен фотон - вже сам по собі надзвичайно складний згусток хвиль, у формуванні якого бере участь безліч простих синусоїдальних коливань - гармонік. Тому нагріті тіла випромінюють світлові потоки у вигляді суміші так званих хвильових пакетів, або груп хвиль. У свою чергу, різні приймачі світла розщеплюють ці потоки на окремі групи хвиль, які взаємодіють з речовиною, наприклад, з тією ж дзеркальною поверхнею. В результаті від неї йдуть у всіх напрямках точно такі ж, але вторинні групи хвиль (рис. 2). Причому вторинні хвилі взаємодіють і між собою, і з первинними хвилями, створюючи в просторі перед дзеркалом (а не позаду нього!) Складну інтерференційну структуру, в якій і закодований дзеркальний образ, скажімо, свічки. Так що дзеркало, відбиваючи світловий потік від неї, як би формує її світлову копію прямо перед собою, і очей спостерігача сприймає цілком реальне оптичне явище, а не уявне зображення десь в Задзеркаллі!

Мабуть, звичайне плоске дзеркало реалізує вельми своєрідний спосіб голографирования - досить повного відображення інформації, коли предметна і опорна хвилі йдуть одночасно від одного і того ж джерела світла. Адже при досить хорошому відображенні ми не в змозі відрізнити реальний предмет від його дзеркального двійника, на чому грунтуються багато оптичні обмани і фокуси. Не виключено, що і механізм нашого зору має здатність відображати оптичну інформацію з використанням тих же принципів світлового кодування. Яким може бути цей код хвильових пакетів, ми поки ще точно не знаємо. Так би мовити, код в мішку ...

Дещо прояснюють закони дзеркальної симетрії. Чому кут падіння дорівнює куту відбиття? Звідки атоми відбиває світло, можуть знати, що вони зобов'язані випускати вторинні групи хвиль в точності під тими ж кутами, під якими на них падають потоки первинних фотонів від свічки? Ймовірно, з кожною групою хвиль треба пов'язувати якісь елементи просторово-часової симетрії з певною внутрішньою метрикою. Але тоді доведеться говорити про кодування і передачі метричної інформації в конкретній знаковій формі на рівні атомів при посередництві електромагнітних випромінювань.

Одне з визначень знака в семіотики говорить, що він являє собою дискретне стан знакової системи в даний момент часу. Це обнадійливо зближує науку про властивості знакових систем з теорією інформації і фізикою. Адже всі фізичні тіла, включаючи і живі організми, складаються з величезної, хоча і кінцевого, дискретного безлічі однорідних мікрочастинок - атомів і молекул. Ведуть вони себе як статистичні машини: в них постійно і випадковим чином реалізується якийсь вибір енергетичних станів. Який буде цей вибір, заздалегідь передбачити неможливо. Але він є, а там, де відбувається вибір, з'являються сигнали, виникають інформаційні повідомлення, причому інформація знаходиться в певній кодової залежності від її носія.

По суті, весь електромагнітний спектр, яку б енергію ні несли окремі його ділянки, являє випромінювання фізичних тіл. Однак уже в простому досвіді з розкладання білого світла за допомогою призми виявляється дивовижний барвистий порядок, який наочно демонструє не тільки енергетичний, але і явно семиотический (знаковий) характер спектра.

Кожне монохроматическое коливання, як відомо, характеризується довжиною хвилі або частотою. Це строго періодичний процес в просторі і в часі, йому відповідає якась одна синусоїда або гармоніка. Правда, таке коливання не піддається виявленню, бо його спектральна лінія має нульову ширину. Проте, з кожної гармонікою пов'язана цілком певна енергія, пропорційна квадрату амплітуди або частоті. Тому, вибираючи в якості ключового семіотичного елемента в спектрі саме гармонійну складову, ми маємо можливість надати їй конкретний інформаційний зміст. Адже кожна гармоніка-синусоїда має внутрішню метрикою, має власну міру протяжності простору - довжину хвилі і власну міру тривалості часу - період коливань. При своєму поширенні така хвиля ділить, або квантів, простір і час на найпростіші метричні елементи.

Стало бути, все гармонійні складові електромагнітного спектра можна розглядати як свого роду механізм квантування простору-часу і передачі відповідної метричної інформації між різними фізичними системами. По суті, це нова, незвична, хоча і дуже проста інтерпретація електромагнітного процесу, що протікає на всіх структурних рівнях матерії.

Нагадаю: інформація виникає при вирішенні невизначеностей типу нуль-одиниця, включено-виключено, орел-решка, плюс-мінус. Вибір одного з двох кодових знаків дає кількісну міру інформації, що вимірюється в бітах на символ.

Покажемо, що з електромагнітним випромінюванням може бути пов'язана чітка схема кодування. Для цього знову звернемося до головної героїні нашої розповіді - гармоніці-синусоїді. Протягом одного періоду вона - таке просто не можна не помітити - виникає двічі: то як позитивна, то як негативна полуволна. Але це цілком природний спосіб генерування довічних знаків! Вона дійсно виступає в ролі елементарного повідомлення. І якщо під символом розуміти саму гармоніку, то вона дає не більше одного біта інформації на символ. При накладенні (суперпозиції) гармонік стануть виникати все нові і нові комбінації двійкових знаків, які будуть кодовими уявленнями метричної інформації.

Нехай, наприклад, між знаками послідовності 10101010 з'являються точно такі ж знаки, з тією ж імовірністю, але інший частотою повторення, що відповідає накладенню двох гармонік з відношенням частот 1: 2 і однаковими початковими фазами. В результаті вийде нова комбінація двійкових знаків: 101100 101100101100. А якщо між знаками цієї послідовності вставити нові 1 і 0, наклавши три гармоніки з відношенням частот 1: 2: 4, то вийде більше складна комбінація.

Виявляється, при накладенні гармонік, частоти яких подвоюються в геометричній прогресії і початкові фази збігаються, виникає загальна закономірність зростання довжини блоків повторюваних комбінацій 1 і 0. Ця закономірність виражається формулою: Ak = 2 · (2 k - 1), де k - число що беруть участь в накладенні гармонік. Звичайно, можливі й інші схеми суперпозиції гармонік, інші комбінації і закономірності блокового кодування. Але тут вже починається смислова сторона справи, яка має пряме відношення до важких пошуків оптимального двійкового коду при галузі інформаційної політики.

Мабуть, в межах кожної спектральної групи хвиль, створюваної нагрітим тілом і подається в розкладанні поруч Фур'є (див. Статтю «Перетворення Фур'є» ), Повинна існувати своя кодова залежність. Вона, ця залежність, і забезпечує ефективну передачу відповідної метричної інформації. Причому дискретним набором спектральних одиниць всередині гармонік відбувається квантування безперервних інтервалів простору і часу з довільною ступенем точності. Тут є на розум математична аналогія - обчислення ірраціональних величин безперервним збільшенням кількості знаків, що дають все більш точне наближення до істинного значення цих величин. А з фізичної точки зору перед нами - своєрідна вимірювальна процедура, що протікає в самій природі і дає якусь метричну інформацію, закодовану в спектрі.

Напрошується таке узагальнення: електромагнітний спектр - це свого роду знакова сверхсістеми, або метамова, що забезпечує передачу і прийом метричної інформації між усіма фізичними тілами, включаючи живі організми. А раз так, то і ми за допомогою своїх органів почуттів приймаємо і розшифровуємо метричну інформацію в процесі пізнання навколишнього світу. Адже наш зір, слух, нюх, смак і дотик діють на рівні атомів тільки при посередництві електромагнетизму. «Пізнання є чуттєве вимір», - тонко помітив один з філософів.

Якщо розглядати атоми в якості пристроїв, що кодують і декодер метричну інформацію, то виникає реальна можливість «стикування» фізики з теорією інформації, з далекосяжними паралелями в області знакових явищ на одному з найелементарніших рівнів природи.

Ще недавно вважали, що світло надає на сітківку ока чисто енергетичне дію і що зорові образи формуються подібно фотографічним зображенням. Але, як було сказано, в світловому потоці «захована» також і кодова залежність, яка відповідає за реальне формування оптичного образу предмета. І цей закодований оптичний образ існує не на сітківці ока, а ще перед нею - в тих хвильових інтерференційних полях, які оточують будь-яка фізична тіло.

Зрозуміло, доступ до тієї чи іншої інформації лежить тільки через розшифровку коду, через його «прочитання». У зоровому сприйнятті - це складний, багатоступінчастий процес, пов'язаний з послідовним перекодуванням вихідної оптичної інформації на різних структурних рівнях очі і мозку. Почавшись в світлочутливих паличках і колбочках сітківки, процес триває в зорових центрах мозку і завершується в корі великих півкуль, де все те, що ми бачимо, переходить в сферу свідомості і отримує мовне вираження. Безсумнівно, що і у внутрішньому, психічному світі повинні існувати свої носії інформації і відповідні коди мозку, що опосередковують не тільки формування зорових образів, але і адекватних їм мовних конструкцій. Тільки при такому підході можна зрозуміти і логічно «зв'язати несвязуемих» в єдиному інформаційному процесі.

Припустимо, що оптична інформація про джерело «прочитана» і перекодувати в сітківці ока в біоелектричні сигнали. Нехай ці сигнали по нервових волокнах потрапляють в зорові центри мозку. Що далі? Де і в що будуть перекодовані електричні імпульси? На якому структурному рівні речовини мозку і за допомогою якого конкретного носія інформації буде сформований, нарешті, зоровий образ предмета?

Можливо, біоелектричні сигнали, що надходять з сітківки в зорові центри мозку, в свою чергу, перекодуються в еквівалентні біохімічні явища на молекулярному рівні кожної нервової клітини. Адже мозок постійно виробляє безліч хімічно активних речовин (гормонів), які визначають і контролюють стан людської психіки. А псіхохімія знає і такі речовини, які особливо активно впливають на зір (наприклад, сумнозвісні наркотики - галюциногени).

Йдучи по безперервного ланцюга перетворення оптичної інформації в зорову, можна дістатися і до найглибших функціональних структур мозку, до окремих груп молекул і атомів. І тут кодовою інваріантом надходить в мозок інформації знову можуть виступити електромагнітні явища. Тоді, за словами Гете, «внутрішній світ зустріне зовнішній», і коло замкнеться. Але це всього лише гіпотеза. А що, якщо поставити питання прямо: чи існує в живому мозку світло в звичайному фізичному сенсі, тобто у вигляді квантів електромагнітного поля? Будь-фізик відповість: оскільки мозок побудований з атомів, то в принципі електромагнітні процеси в ньому можливі, і вони можуть мати безпосереднє відношення до формування зорових образів. Мабуть, психічні явища - природне продовження явищ світлових в голові спостерігача. І коло дійсно замикається!

«Світло істини», «блиск ідей», «осяяння» ... Ми часто вживаємо подібні алегорії, і це, здається, не випадково. Якийсь «засекречений секрет» тут є. Світло дійсно займає особливе положення не тільки в фізичному, а й психічному світі. Він тісно пов'язаний з явищами, що визначають саму суть нашого розуму. Недарма ще Гегель вважав, що між баченням світу, формуванням зорових образів і процесами мислення є глибокі психофізичні паралелі. «У реальному світі ототожнення з сутністю форма сяє як світла, так само як в ідеальному світі сяє сама думка», - писав знаменитий німецький філософ.

Напрошується висновок і про умовність поділу світу на зовнішній і внутрішній, фізичний і психічний. Насправді світ єдиний, і ми належимо йому кожним своїм атомом. Все, що відбувається в людській голові при формуванні зорових образів, разом з тим відбувається в самій природі і має єдину фізико-інформаційну основу з явищем світла.

Раніше опубліковано:

Техніка - молоді. 1988. №11.

Див. також:

1. Лаврус. В.С. Світло і тепло . Світло, зір і колір . НиТ , 1997..
2. Карташкин А. перетворення Фур'є . НиТ , 2000..

Дата публікації:

3 грудня 2002 року