Квантовый аспект восприятия света зрением

В процессе зрения происходит восприятие параметров потока света. В светочувствительном рецепторе сходятся процессы из разных сфер действительности – взаимодействуют квантовые объекты (фотоны), рецепторы, как измерительные приборы, оценивающие параметры  квантовых объектов, и нейроны, относящиеся к элементам, осуществляющим процессы высшей нервной деятельности.

Эта проблема интересна еще и тем, что эта сфера знания недостаточно изучена, причем от нее отказываются как физики, так и биологи. Кроме того, проблема восприятия света входит в состав проблем восприятия информации человеком, рассмотренных в   статье «Восприятие информации» как часть решения психофизической проблемы - http://maxpark.com/community/5654/content/2308450

Непосредственно сопряжение электромагнитного излучения и вещества осуществляется в зрительных рецепторах сетчатки глаза живого организма, здесь свет преобразуется в нервные сигналы в виде пачек электрических импульсов, из которых уже в мозгу создается образ видимых предметов. Светочувствительные рецепторы выступают в качестве границы, разделяющей (и соединяющей) квантовые и нервные процессы, на которой сопрягаются разные сферы реальности - излучение, вещество и нервная деятельность.

Исследования показывают, что энергия воздействующего на рецептор фотона воспринимается конкретным электроном фоточувствительного белка. Этот электрон не просто находится в составе конкретного белка, но и белок, в свою очередь, вмонтирован в тело определенного светочувствительного рецептора, а рецептор имеет вполне определенное местоположение на сетчатке глаза и связан с конкретными нейронами. На сетчатке глаза имеется специальное место, которое принимается за центр общей системы отсчета всех рецепторов.

Рецепторы имеют строение в виде столбика из пластин (порядка 2000 шт.), на каждой пластине располагаются порядка 60 тыс. светочувствительных белков. Рецепторы располагаются на сетчатке сплошным массивом, закрывают все поле сетчатки. Различают цветоразличающие рецепторы – колбочки, и черно-белые рецепторы – палочки. Количество цветных колбочек оценивается в 6 – 10 млн., колбочки располагаются преимущественно вокруг центра зрения. Палочек насчитывается порядка 100 млн. Они располагаются по всему полю сетчатки.

Зрительная система воспринимает свет в диапазоне 400 - 780 нм, ультрафиолетовое излучение (волны меньшие 360) поглощает хрусталик, большие не воспринимаются рецепторами, к тому же инфракрасные волны (1000 нм и больше) излучаются самим телом и являлись бы засветкой зрительной системы. 

Для зрительной информации естественно важен спектр излучения, однако светочувствительный рецептор не просто принимает излучение, но и определяет различия между локальными характеристиками потока света. Существуют специальные горизонтальные клетки в рецепторе и между рецепторами, определяющие градиент потока света по интенсивности, длине волны и насыщенности доминантного цвета - соответственно информация передается не только о цвете, но и о яркости и насыщенности цвета на фоне белого. Необходимо также отметить, что рецептор не только воспринимает характеристики потока света и передает их в мозг, но и управляет общей и раздельно локальной прозрачностью вещества до рецептора, чтобы можно было видеть различия в потоке света даже при различной его интенсивности и контрастности.

Вследствие поглощения фотонов в рецепторе происходят электрохимические процессы, вызывающие срабатывание последующих нейронов. В целях рецепции, фотон может быть воспринят только в том случае, если воспринявший его светочувствительный белок встроен в измерительную цепь рецептора. Если белок, воспринявший фотон находится вне измерительной схемы рецептора, то поглощение фотона произойдет, но не вызовет необходимых для рецепции химических воздействий и такое поглощение окажется бесполезным, поскольку информация о таком фотоне не дойдет до следующих нейронов.  Из этого можно сделать вывод, что поглощение фотонов в рамках процедур, происходящих в сенсорных системах, носит не случайный характер.

В соответствии с трехкомпонентной теорией строения цветочувствидельных рецепторов (колбочек)  считается, что светочувствительная колбочка  реагирует только на фотоны определенной длины волны. Однако данная теория вызывает сомнения в достоверности. Электрон в белке (или сам белок) должен сначала как-то определиться с тем - реагировать ему, если у фотона соответствующая длина волны, и не реагировать, если длина волны чуть больше (или меньше). Он же не знает длину волны, которая попадет в этот белок, не знает, на сколько длина волны отличается от той, которую он может принять. Причем неважно, на сколько отличается от "своей". В любом случае электрон (или кто-то из участников поглощения) каким-то образом должен "почувствовать", поглощать или пропустить фотон. Офтальмологи на эти вопросы не смогли ответить мне. А физики вообще отказались рассматривать проблему восприятия света глазом, под предлогом, что в этой ситуации им невозможно осуществить какие-либо измерения, а без достоверных измерений они не вправе что-либо утверждать и делать какие-либо умозаключения.

Ситуация еще больше запуталась от мысли, что цветное зрение способно воспринимать цвет (длину волны фотона) и одновременно определять его местоположение на сетчатке. Как вообще возможно определение длины волны фотона, если локализация электрона, который реагирует на фотон, составляет единицы Ангстрем (0,1 нм), а длина волны фотона примерно в пять тысяч раз больше (от 400 до 770 нм)? Ведь поглощаемая энергия фотона должна быть размазана случайным образом по несоизмеримо большему пространству, чем локализация электрона.

Возникают и другие вопросы. Какова природа энергии фотона (кинетическая, электрическая, магнитная, еще какая-то)? Что происходит с энергией фотона при поглощении его электроном? Какие происходят преобразования энергии?

Желание получить ответы на возникающие вопросы заставляет углубляться в подробности процесса поглощения света веществом. Физика утверждает, что для возбуждения электрона необходимо затратить не какую-то там энергию, а вполне конкретную величину - разницу между двумя энергетическими состояниями, что вполне определенно подтверждается в физических экспериментах. Поглощение происходит в виде определенной полосы поглощения в электронном спектре молекулы. Однако это всего лишь констатация факта поглощения конкретной порции энергии, эмпирическое его подтверждение, но еще не объяснение механизма поглощения.

Чтобы обострить проблему и показать ее физическую, а не физиологическую природу отметим, что именно из факта поглощения конкретным электроном конкретного фотона следует, что в процессе зрительной рецепции возможно одновременное и достаточно точное измерение энергии (импульса) фотона и местоположения этого фотона. Местоположение квантового объекта соответствует местоположению (месту локализации) электрона, поглотившего фотон, и это местоположение вполне определяемо на макроуровне, так как от него идет "ниточка" к приемнику сигнала, а энергия фотона соответствует разнице между энергиями состояний электрона - тоже вполне определима. Если энергия фотона соответствует разнице энергий, необходимых для изменения местоположения электрона, то поглощение происходит. Если не соответствует, то фотон проходит сквозь данную молекулу. Теперь посмотрим, что из этого получается.

Для фотона имеется уравнение

λ·P=ħ, где λ – длина волны, P – импульс фотона, а ħ – постоянная Планка. Это уравнение фотона очень похоже на соотношение неопределенности Гейзенберга:

ΔХ · ΔР >= ħ, где ΔХ - ошибка в определении местоположения квантового объекта, ΔР - ошибка в определении его импульса.

Есть возможность оценить ошибку измерения параметров фотона при его поглощении конкретным электроном конкретного светочувствительного белка сетчатки. Величину возникающей ошибки в измерении импульса можно установить по разрешительной способности зрительной системы в определении цвета. Экспериментально установлено, что чувствительность оценивается в 2 – 3 нм. Это составляет менее 1 % от длины волны света в видимом диапазоне - (0,3 – 0,5) %. По уравнению фотона λ·P=ħ определяем разницу в изменении импульса, фиксируемого зрительной системой:  ΔР = ħ/λ – ħ/1,01·λ, что примерно = 0,01· ħ/λ

ΔР = 0,01· ħ/λ

Ошибку в измерении местоположения фотона (ΔХ) можно оценить, как размер области локализации самого электрона в молекуле белка. Если размер атома оценить примерно в 0,1 нм, то ошибку локализации электрона (с большим завышением) можно принять 0,5 нм. Эту величину целесообразно выразить в условных единицах, как долю от длины волны фотона (500 нм). В итоге получаем, что ошибка измерения местоположения фотона примерно (0,5/500) λ =  0,001· λ.

ΔХ = 0,001· λ

Подставляя относительные ошибки определения местоположения и импульса фотона в соотношение неопределенности, получаем:

ΔХ · ΔР = 0,001· λ · 0,01· ħ/λ = 0,00001· ħ.

В соответствии с произведенными оценками произведение ошибок измерения координат и импульса рецептором глаза оказывается в сто тысяч раз меньше, чем постоянная Планка. Причем следует учесть, что обе ошибки взяты с некоторым завышением, если взять реальные ошибки в определении ΔХ и ΔР, то их произведение будет примерно в миллион раз меньше постоянной Планка. А по соотношению неопределенностей Гейзенберга произведение этих ошибок не может быть меньше ħ. Что это: ошибка в приведенных рассуждениях или действительно с соотношением неопределенностей какая-то неувязка?

Попробуем разобраться.

Количественные значения ошибок измерения в приведенных рассуждениях можно считать соответствующими реальным, или завышенными, поэтому величина в 0,00001 - это еще заниженная степень нарушения соотношения неопределенности Гейзенберга. С другой стороны размер неувязки столь велик, что ошибки можно еще многократно завысить без ущерба для общего вывода о справедливости соотношения неопределенностей.  Из чего можно сделать вывод, что если и есть ошибка в приведенных рассуждениях, то она не в количественных значениях, а в чем-то другом.

Может быть, одна из процедур (либо соотношение неопределенностей, либо рецепция света в зрительной системе) не относится к процедуре измерения? Ведь соотношение неопределенностей характеризует именно возможные ошибки измерения параметров квантового объекта.

Поскольку каждый фотон является квантовым объектом, то из этого следует, что каждый фотон поглощается индивидуально, хоть в зрительной системе, хоть в другом месте. Оценка характеристик фотона в рамках зрительной рецепции осуществляется самим актом его поглощения хромофором, а не различением характеристик фотонов нервными клетками. Если он поглотился, то уже самим фактом поглощения его энергия перешла конкретному электрону. А это значит, что в результате акта поглощения становятся известными и местоположение фотона (по исходному местоположению электрона), и энергия фотона (по величине изменения энергии электрона).

И то, и другое о фотоне становится не просто "известным" конкретному электрону и белку, в котором он находится, но и известными измерительной схеме в целом. Физические и химические изменения в характеристиках электрона и белка, порождаемые поглощением, становятся известными определенному нейрону, который можно уже считать макро «наблюдателем». С другой стороны, место на сетчатке, в которое попал фотон, детерминируется пространственным местоположением предмета, который излучил этот фотон, и настройкой оптической части зрительной системы – линзой хрусталика и фокусировкой получаемого изображения.

Если же поглощения фотона не произошло, то, увы, не произошло и измерения параметров квантового объекта. Поглощение такого фотона произойдет пигментом задней стенки сетчатки, то есть вне измерительной схемы. В этом и заключается специфика электрона (хромофора, белка, рецептора в целом): они размещены в составе измерительной системы местоположения предмета, позволяющей не просто поглощать, а поглощать в рамках измерительной процедуры.

Из этого следует, что анализируемая процедура поглощения фотона в зрительной системе рассматривается именно в рамках процедуры измерения параметров фотона, а не просто его поглощения. Из этого следует, что предназначение рассматриваемой процедуры соответствует заявленному назначению и «области действия» соотношения неопределенностей.

Может быть, в процедуре измерения параметров фотонов в зрительной системе имеется какая-то уникальная специфика, порождающая столь существенное отклонение от соотношения неопределенностей?

Действительно, такие отличия имеются.

Во-первых, соотношение неопределенностей рассматривается применительно к процедуре измерения параметров квантового объекта, осуществляемой с сохранением самого квантового объекта. Например, Луи де Бройль в книге «Революция в физике» отмечает, что сама процедура измерения не должна вносить изменения в сами измеряемые параметры - вносимые измерительным прибором изменения в измеряемые параметры должны быть как можно меньше. 

Суть идеи соотношения неопределенностей заключается в том, что для более точного измерения нужны фотоны с меньшей собственной локализацией, но такие фотоны являются и более энергичными. Специфика квантового объекта такова, что измерение местоположения квантового объекта с большей точностью требует применения, как указывает де Бройль, воздействия на измеряемый объект более коротких фотонов, но чем меньше длина волны фотонов, измеряющих местоположение квантового объекта, тем больше их энергия, тем большее изменение энергии происходит в измеряемом объекте. Сама процедура измерения вносит изменения в измеряемые параметры, поэтому и считается, что этого эффекта принципиально невозможно избежать. Ошибки одновременного измерения пространственных и энергетических характеристик квантового объекта подчинены рассматриваемому соотношению неопределенностей.

Итак, отличия измерений в рамках процедуры рецепции и рамках объяснения соотношения неопределенностей – имеются.

Во-первых, в отличие от измерительных процедур, описанных у де Бройля, в измерительной процедуре, осуществляемой в рамках зрительной рецепции, сам объект, параметры которого измеряются, не сохраняется, а погибает полностью в процессе измерительной процедуры. А если не погибает, то и не попадает в измерительную процедуру. В зрительной системе оцениваемый квантовый объект просто поглощается, проглатывается светочувствительным белком, в результате чего обе измеряемые величины (координата и импульс) становятся известными этому белку. Он «измеряет» указанные параметры с точностями, на несколько порядков не вписывающиеся в соотношение неопределенности. Правда, ценой уничтожения измеряемого объекта. Этот белок и есть тот измерительный прибор, который якобы невозможно построить в принципе.

Во-вторых, в процессе зрительной рецепции измерения местоположения фотона вообще-то не осуществляется. Местоположением фотона считается местоположение электрона, поглощающего фотон. Местоположение электрона является не измеряемым параметром, а априорно известным измерительной системе. Фотон «сам» натыкается на тот или иной светочувствительный белок, имеющий этот самый электрон. Но данное обстоятельство не меняет существа принципа неопределенности. В соответствии с этим принципом «невозможно построить измерительный прибор, который позволил бы нарушить ограничения, накладываемые неравенствами Гейзенберга». Невозможно построить в принципе.

В сущности, зрительная система просто обходит установленный запрет. В зрительной системе установлено огромное множество измерительных приборов. Куда бы ни попал фотон, он наткнется на «измерительный прибор», каковым является молекула светочувствительного белка. А от нее обязательно тянется ниточка к макро измерительному прибору – рецептору и далее к нейрону. Преобразование микро сигнала от квантового объекта в макро сигнал это уже другая проблема, которую целесообразно рассматривать отдельно. В данном аспекте следует сделать акцент на понимании светочувствительного белка в качестве измерительного прибора для оценки пространственных и энергетических параметров фотона, специфического измерительного прибора, который позволяет нарушить ограничения, накладываемые неравенствами Гейзенберга.

В-третьих, нужно разобраться с пониманием величин, входящих в соотношение неопределенностей. Вообще, имеет смысл задаться вопросом - в соотношении неопределенности, дельта икс, это что? Может быть, это вообще не ошибка измерения? Общность математической структуры уравнения фотона с соотношением неопределенности подсказывает, что дельта икс это вовсе не ошибка в измерении координаты местоположения частицы, а длина волны, так что это вовсе не ошибка измерения, размер частицы. Длина волны фотона жестко связана с импульсом фотона соответствующим уравнением. Поэтому само соотношение и включенные в него переменные в таком понимании приобретают иной смысл.

Это не мы не можем одновременно измерить пространственную и энергетическую характеристики фотона, а фотон не может иметь иных величин импульса и длины волны, кроме как соответствующих уравнению фотона (и совпадающему с ним по структуре соотношению неопределенности). У уравнения фотона и соотношения неопределенностей общая математическая структура.  Соотношение неопределенностей применительно к фотону приобретает форму зависимости между длиной волны и импульсом. Правда при таком понимании неопределенность превращается в определенность. А ПНГ перестает иметь исключительное отношение к измерению параметров квантового объекта и начинает описывать соотношение не между ошибками измерения, а между собственными параметрами квантового объекта. Для фотона, как самого простого из квантовых объектов, связь между длиной волны и импульсом - естественным образом совпадает с соотношением "неопределенностей". При этом измерительный аспект (измерение координаты и импульса фотона) вовсе не исключается, а приобретает вполне здравый смысл: как же можно измерить местоположение квантового объекта точнее, чем его размер? Объект есть везде в пределах своего размера.

При этом размер квантового объекта, в данном случае фотона, жестко связан с энергетической характеристикой фотона. Чем энергичнее происходят электромагнитные колебания (чем больше частота) тем меньше длина волны и размер фотона, тем меньше общая локализация фотона.

В результате подобного изменения интерпретации математическая составляющая соотношения полностью сохраняется. И это объясняет, почему соотношение так прекрасно подтверждается в экспериментах, на которые все ссылаются. Участвующие в соотношении величины имеют отношение не к процедуре измерения, а к собственным характеристикам самой частицы, в данном случае - фотона. И соотношение между собственными пространственными и энергетическими характеристиками имеет жесткую связь, описываемую этим соотношением.

В-четвертых, при обосновании необходимости введения принципа неопределенности специально указывается, что его введение есть следствие вероятностной интерпретации частиц. В частности де Бройль указывает: «Еще раз подчеркнем, что соотношение неопределенности – неизбежное следствие, с одной стороны, возможности сопоставить частице некоторую волну, с другой – общих принципов вероятностной интерпретации». Возникает закономерный вопрос: а является ли фотон, параметры которого оцениваются рецепторами зрительной системы, частицей с вероятностной природой?

Привлечение в рассматриваемое соотношение параметра «размер» частицы, оказывается, в рамках квантовой механики с вероятностной интерпретации частиц - вообще не имеет смысла. В существующей квантовой механике просто нет такого понятия и параметра, как "размер" частицы, и нет именно по причине вероятностной интерпретации самой частицы. У нее не может быть размера, поскольку при вероятностной интерпретации у частицы нет, и не может быть границ, они просто размыты. Но это только при вероятностной интерпретации. Для реального фотона "размером" частицы является длина волны. Один период электромагнитных колебаний, собственно, и есть фотон, квант света.

Таким пониманием, кстати, легко объясняется корпускулярно волновой дуализм. Внутри частицы - волна, а один период колебания  - частица. Волновые свойства частицы это ее внутренние свойства, а при рассмотрении той же частицы снаружи – это корпускула, квант, частица, нечто дискретное.

Естественно, такое понимание не соответствует пониманию, принятому в квантовой механике. Когда создавалась квантовая механика, для квантовых объектов было принято матричное описание частиц. Под частицей, как правило, рассматривался электрон, и для него вывели все квантовые закономерности. Затем уже эти закономерности начали переносить и на электромагнитное излучение. В качестве фотона также стали понимать волновой пакет. Даже если волна монохроматическая, в реальных условиях она распадается на множество гармоник. Совокупность всех колебаний, связанных с основной монохроматической волной стали называть волновым пакетом, а пакет - фотоном. Для волнового пакета естественным образом подошло принятое для частиц вероятностное описание.

Однако, «что» в реальности поглощается зрительной системой человека, «какой» фотон поглощается рецептором - волновой пакет из совокупности гармоник, или один период монохроматического электромагнитного колебания?

Что является «зеленым», «красным» и т.д.?

Параметры «какого» объекта оценивает рецептор?

По моим представлениям – конечно же фотон как период электромагнитного колебания. Всякие там разбегания волнового пакета возможно и существуют, но они лишь мешает измерению и поэтому игнорируется или сглаживается измерительной системой, а оценивается основной параметр главной гармоники. Причем достаточно оценить лишь один параметр: либо импульс, либо длину волны, чтобы знать и то и другое. В силу наличия жесткой связи между длиной волны и импульсом – это же два взаимодополняющих параметра частицы по соотношению определенностей.

Продолжение следует - http://maxpark.com/community/5654/content/2350079