29 июня 2008 г.

Свет

Как известно, подавляющую долю информации об окружающем мире человек получает визуально. Эта инфомация заключена в свете, который мы воспринимаем. Яркость света и цвет знакомы всем, но на самом деле, у света есть и много других характеристик. Вот небольшой их обзорчик.

Интенсивность

Интенсивность света -- это то, что мы в быту обычно называем яркостью. Большая интенсивность -- яркий свет, малая интенсивность -- тусклый свет. В глазу человека и других высокоразвитых животных есть рецепторы, реагирующие на свет и измеряющие его интенсивность.

На самом деле, на научном языке яркость -- это нечто иное, чем интенсивность. Яркость -- это видимая хактеристика источника света; ее можно вычислить как интенсивность света поделить на видимый телесный угол излучающего тела. Если, например, удвоить расстояние от Земли до Солнца, то интенсивность солнечного излучения упадет в 4 раза, но и видимый телесный угол (т.е. по сути угловой размер в квадрате) тоже уменьшится в 4 раза. В результате яркость Солнца (т.е. количество видимого света с маленькой угловой области видимой поверхности Солнца) не изменится.

Это определение яркости может показаться искусственным, и чтоб его "оправдать", я рекомендую посмотреть днем через бинокли с одинаковой светосилой, но разным увеличением. Вы увидите, что в случае меньшего увеличения картинка значительно ярче, хотя количество света, пойманного биноклями одинаковое. Можно сказать, что "научная" яркость -- это яркость изображения на сетчатке глаза.

Частота

Свет -- это электромагнитная волна, и поэтому у нее есть частота колебаний. Частоту колебаний световой волны мы воспринимаем как цвет (а точнее, как чистый цвет). Хотя частота колебаний связана с длиной световой волны, но за восприятие цвета отвечает именно частота. Например, у света, идущего в воде, длина световой волны уменьшается, но частота не изменяется, и никакого смещения цветом при взгляде под водой не происходит. (Впрочем, этот пример не совсем честный, т.е. длина волны в глазу, непосредственно перед сетчаткой не зависит от того, где вы находитесь -- в воздухе или под водой.)

Цветовое зрение у животных уже распространено не так широко. В процессе эволюции оно улучшалось и ухудшалось, терялось и восстанавливалось, см. например популярную статью Обоняние и цветное зрение в эволюции млекопитающих развивались в противофазе. Вообще, восприятие света разными животными -- очень большая тема. Здесь я не буду ее касаться, дам только ссылку на занимательную подборку. Правда, я не проверял, насколько все там достоверно. :)

Есть конечно и много разных сортов электромагнитных волн за пределами оптического диапазона, но не будем на них останавливаться.

Спектральное распределение

Цветовое зрение -- это зачатки спектрального анализа. Свет с одной частотой (монохроматический свет) встречается в природе редко, обычно есть смесь цветов, т.е. свет имеет некоторое спектральное распределение. Это распределение может иметь очень сложный вид, а цветовое зрение передает спектр очень упрощенно -- в виде трех "проекций" (если зрение трихроматическое). Впрочем, у некоторых животных цветное зрение более богатое, чем у человека.

Иногда на этом можно "играть". Например, в вашем мониторе нет желтых пикселов; вы видите желтый свет, когда горят одновременно красный и зеленый. Т.е. два сильно разных спектральных распределение (первое -- с правильно подобранными пиками на красном и зеленом, второе -- с единственным пиком на желтом) воспринмаются глазом одинаково.

В принципе, можно представить себе даже такой способ криптографии, когда человек видит на листе одноцветный фон, но на самом деле там есть текст, написанный чернилами с другим спектральным распределением. Впрочем, наверно такая криптография будет очень нестойкой -- достаточно взять призму, и обман раскроется.

Кстати, те, кто носит сильнофокусные очки, наверняка замечали: если взглянуть на небольшой источник яркого света (например, уличный фонарь) косо, "краем очков", то он распадется в спектр, и в нем можно выделять отдельные линии излучения. Это, по-видимому, единственное преимущество людей с плохим зрением :)

Кстати, исторически квантовая механика постепенно выросла из необходимости объяснения данных спектрального анализа разных веществ.

Поляризация

Свет -- это поперечная волна, т.е. электрическое (и магнитное) поле в ней колеблется в поперечной плоскости. Электрическое поле -- это вектор, поэтому есть разные варианты колебаний в зависимости от конкретного направления. Эти разные варианты и называются поляризацией.

Обычно упоминают три сорта поляризации: линейная, круговая (циркулярная) и эллиптическая. В физике все эти типы описываются тремя числами -- параметрами Стокса. Неполяризванный свет -- это на самом деле беспорядочная смесь разных типов поляризации без какого-либо предпочтения какой-то одной поляризации.


Поляризация света (особенно, линейная) легко возникает в природе при отражении. Этим пользуются фотографы, подавляя блики с помощью поляризационных фильтров, а также некоторые виды животных. Поляризация света активно используется в астрофизике (см. новость про поляризацию реликтового излучения).

Если световая волна не плоская, а имеет вид сфокусированного светового пучка, то тут открываются новые возможности для поляризации. Можно создать радиально-поляризованный свет (см. рисунок), продольно поляризованный свет, и вообще добиться полного трехмерного контроля над вектором электрического поля в фокусе луча.

Когерентность

Когерентность света -- это синхронность колебания световой волны в разных точках пространства. Вообще говоря, обычный свет -- это просто хаотическое наложение друг на друга отдельных, никак не скоррелированных друг с другом фотонов. Из-за этого фаза световой волны в разных точках пляшет по-разному, и поэтому обычный свет некогерентен. А вот лазерный свет отличается высокой степенью когерентности по всему лучу, как в поперечном, так и в продольном направлении.

Вроде бы, в живой природе когерентный свет не используется. Интересно, можно ли придумать ситуации, при которых организмам было бы выгодно развивать у себя вИдение когерентности света?

Квантовая запутанность фотонов

Квантовая запутанность двух фотонов -- это когда один фотон "в курсе", в каком состоянии находится второй фотон, хотя прямого взаимодействия между ними после момента создания не было. Без квантовой механики это, по-хорошему, не объяснить. :)

Фотоны в запутанном состоянии могут применяться как по отдельности (например, в опытах по квантовой телепортации или проверке положений квантовой механики, см. популярную статью Страсть на расстоянии), так и вместе (как в многофотонной дифракции).

Запутать, кстати, можно не только отдельные фотоны, но и световые лучи целиком. Буквально на днях в журнале Physical Review Letters появилась статья, в которой рассказывается об эксперименте по запутыванию двух световых лучей с частотой, отличающейся ровно в два раза.

Орбитальный угловой момент


У светового луча может быть ненулевой орбитальный угловой момент относительно оси луча. То есть, луч не просто летит вперед, но еще и словно вращается. Это можно представить себе так, словно отдельные "лучики" сходятся не прямо на ось луча, а как бы по касательной, например, чуть правее. Поверхности постоянной фазы в этом случае -- не плоскости, а как бы винтовые поверхности (см. рисунок). Вот страничка про исследования такого света и обзор про применения фотонов с орбитальным угловыми моментом в астрофизике.

24 комментария:

  1. Спасибо. Правда, по-хорошему, там по каждой теме нужно писать целый рассказ.

    Плюс к этому, я потом еще вспомнил несколько характеристик, которые можно было бы перечислить, например, сжатый свет, статистика отсчета фотонов, бездифракционные (бесселевы) пучки.

    ОтветитьУдалить
  2. Спасибо, очень полезный и хорошо написанный обзорный материал!

    ОтветитьУдалить
  3. А есть ли строгая функция перевода света с определенной длиной волны в разложение RGB? И стандартизован ли "чистый зеленый" и "чистый синий" цвета - т.е. закреплено ли где-то, что чистый зеленый это свет с длиной волны ххх нм?

    ОтветитьУдалить
  4. Не знаю, не встречал. Но я и не уверен, что это нужно, ведь субъктивное ощущение цвета может быть разным даже при одинаковом объективном.

    ОтветитьУдалить
  5. "Способность различать цвета определяется светочувствительными белками колбочек — опсинами, которые могут быть «настроены» на разную длину волны." Т.е. для того же зеленого цвета (для его оттенков) должна существовать длина волны на которую максимально реагируют определенного вида опсины. Этот "зеленый" цвет можно было бы назвать "каноническим". Или опсины у каждого человека немного отличаются друг от друга?

    ОтветитьУдалить
  6. Это всё хорошо, но есть такой факт из области физиологии: субъективное ощущение цвета зависит, например, от освещенности. Или от других условий. Причем у одного и того же человека. А вообще, посмотрите в Фейнмановских лекциях по физике, там есть даже глава про цветовое зрение. В англоязычном издании это глава 35 первого тома.

    ОтветитьУдалить
  7. Спасибо за ответы. Фейнман у меня есть в переводе - посмотрю.

    ОтветитьУдалить
  8. Анонимный12/1/09 05:26

    Кстати, придумал для чего можно когерентность использовать - мерять расстояние и скорости по сдвигу интерференционной картинки.

    Правда, животное должно иметь свой источник когерентного света (скажем, химический лазер).

    ОтветитьУдалить
  9. Это точно Вы придумали? :)
    А животное со встроенным лазером -- это уже киборг получается. На них лучше опыты не проводить, аукнется :)

    ОтветитьУдалить
  10. Анонимный12/1/09 14:33

    Вообще-то да, просто вечером в голову пришло, когда этот пост читал :)

    В теории, почему бы не допустить эволюцию лазера? Например, на планете типа Венеры, где ночь длится несколько недель и автономные источники света будут вполне полезны.

    Можно даже предположить эволюционный путь - от простого светоизлучающего белка до лазера на красителях :)

    ОтветитьУдалить
  11. Очень хорошо. Я спросил так потому, что измерение малых расстояний по сдвигу интерференционной картины -- это и есть основное применение когерентного света. Вся интерферометрия по сути для этого и создана. Но если Вы спокойно оперируете словами "когерентный", "лазер на красителях" и т.д., значит скорее всего Вы проходили курс оптики в ВУЗе, и там об этом должны были рассказывать.

    Автономный источник света может быть любым, не обязательно когерентным. Как это, собственно, и есть у самосветящихся животных. Я честно говоря не вижу никакого эволюционного преимущества в развитии когерентного источника света (оставим в стороне технический вопрос о том, как это осуществить в живом организме).

    ОтветитьУдалить
  12. Анонимный12/1/09 17:26

    Я имею в виду, что сам придумал приложение этой идеи к животным. Естественно, я не претендую на новизну этой идеи вообще!

    Просто можно представить, что животное сделает сначала делает светящийся орган. Потом делает зеркало для того, чтобы источник был направленным. Потом делает поляризационный фильтр (скажем, чтобы можно было свой "фонарик" отличать от других). Потом делает поляризационный фильтр лазерно-активным. В общем, почти все компоненты лазера есть :)

    Красители тоже вполне могут естественным образом эволюционироваться - кумарин в природе и так встречается в растениях. Родопсин тоже вроде бы тоже.

    ОтветитьУдалить
  13. Так вопрос-то остается: зачем? какие эволюционные выгоды это сулит животному?

    По физике дела, Вы не забывайте, что у лазерного луча есть длина когерентности. Измерять слишком большие расстояния по интерференционной картине Вы не сможете. И вообще, я не очень понимаю, что именно и как именно животное сможет измерить этим лазером?

    ОтветитьУдалить
  14. Анонимный12/1/09 20:32

    Ну можно много сценариев придумать. Например, можно использовать лазер в пульсирующем режиме - чтобы меньше себя демаскировать. Этому ещё и сфокусированность пучка может помочь.

    Для древолазающих животных - точно измерять расстояние между ветками для прыжков.

    Опять же, как оборонительное оружие - для ослепления противника.

    В общем, можно подумать - интересный этюд, на самом деле. А то для всех остальных свойств в природе применение нашлось, одна когерентность осталась.

    А ну да, про запутанность пока ничего не придумывается. Разве что предположить животных, использующих оптическую связь и квантовое шифрование :)

    ОтветитьУдалить
  15. Увы, но и идея "животное с лазером" тоже не нова. Самое первое произведение известного писателя Дэвида Брина ("Прыжок в Солнце"/Sundiver, 1980) - фактически как раз об этом :-)

    ОтветитьУдалить
  16. Анонимный5/2/09 22:35

    Господа физики! Возможно, вопрос не совсем в тему... Подскажите, вот эта статья: http://arxiv.org/pdf/0806.2442v1 - серьезный эксперимент, или надувательство? В популярных СМИ на эту тему появилось несколько противоречивых статей.

    ОтветитьУдалить
  17. Насколько я могу судить, это хороший серьезный эксперимент.

    ОтветитьУдалить
  18. Анонимный6/2/09 09:09

    Спасибо за ответ, вы меня обнадежили. А то я уже не первый день веду борьбу на форуме, где обсуждается статья http://www.computerra.ru/vision/399437/ и пытаюсь донести до авторов и читателей в общем-то неплохого журнала, что оценивать качество научной работы по ее пересказам нехорошо, даже если так поступает член-корреспондент РАН.

    ОтветитьУдалить
  19. На самом деле это действительно запутанный вопрос, и меня сейчас это самого заинтересовало, попробую почитать и разобраться. В последние годы как раз всплеск публикаций был (см. хотя бы ссылки в этой статье).

    Алла Аршинова в своей заметке в Компьютерре описывает ситуацию так, словно это пустая шумиха. Но это потому что она опирается на "мнение эксперта" (бич научной журналистики!), который про эту проблему и не слыхивал (ну а то, что директор ИАиЭ СО РАН оказался совсем не в курсе, но выступил с авторитетным мнением, оставим на его совести).

    ОтветитьУдалить
  20. Анонимный19/2/09 14:27

    Если уже разобрались, интересно было бы получить Ваш комментарий... Спасибо.

    ОтветитьУдалить
  21. Пока еще не разобрался. А комментарий к заметке я уже высказал, он не изменится.

    ОтветитьУдалить
  22. Давид5/3/09 16:22

    Игорь, было бы очень интересно прочесть ваше мнение о проблеме импульса света! Я понимаю, что у вас не так много времени на просветительскую работу, но надеюсь вам поможет разобраться в вопросе небольшой очерк Рудольфа Пайерлса http://ufn.ru/ufn91/ufn91_9/Russian/r919d.pdf на который я случайно наткнулся. Не знаю, правда, стоит ли доверять его мнению?
    Эксперимент, поставленный Weilong She, Jianhui Yu и Raohui Feng (мне кажется так, хотя я не специалист) правда очень интересен и серьёзен. Результаты разочаровывают, жаль что импульс волны в среде оказался по значению близок к импульсу поля, а не к квазиимпульсу: вот это был бы правда хороший эксперимент!

    ОтветитьУдалить
  23. Анонимный12/5/09 14:40

    А все-таки по поводу перевода длины волны в RGB хотя бы приблизительно... Никто не поделится формулой ??? очень надо!

    ОтветитьУдалить