Измерение цвета

Какие именно параметры фотонов измеряются в процессе зрения?

Исходя из уравнения фотона λ·P=ħ, где λ – длина волны, P – импульс фотона,  ħ – постоянная Планка, параметров для измерения не так уж много. Постоянная Планка имеет единицу измерения действия (Дж·с = м·Н·с = м·Н/Гц), которая как видим имеет составной характер. Объединяя (группируя) эти единицы измерения, можно получить различные параметры, входящие в состав действия, в состав параметров, характеризующих фотон

 – энергию, импульс, длину волны, частоту, период.

Эти параметры связаны между собой уравнением (фотона), поэтому, в принципе, достаточно измерить один из них, чтобы иметь сведения обо всех параметрах фотона.

В соответствии с теорией измерений, чтобы что-то измерить, нужно соотнести измеряемое с эталоном, с эталонной мерой. Но для этого все равно нужно, как минимум, знать тип меры, знать тип измеряемого параметра.

В технических измерениях приборы не всегда измеряют именно тот параметр, который хотят измерить. Например, при измерении расстояния естественно можно приложить линейку или другой эталонный инструмент и отсчитать количество единиц измеряемом отрезке. Однако не всегда возможно приложить эталонный инструмент. В таких случаях используют зависимость расстояния от других параметров и измеряют те, которые возможно отсчитать – используют дальномеры, основанные на известной скорости распространения, например, света. Такие дальномеры непосредственно измеряют время прохождения сигналом измеряемого расстояния, а затем по измеренному отрезку времени исчисляется измеряемое расстояние по известной зависимости между ними.

Термометры, например, используют зависимость расширения вещества от температуры, а величина расширения сопоставляется со шкалой измерения. Аналогичным образом (с использованием известной зависимости измеряемого параметра от других величин) измеряются многие другие параметры.

 

При измерении параметров света зрительной системой в качестве непосредственно измеряемой величины используется длина волны фотона. Такой вывод можно сделать из соображений затруднительности измерить какой-либо другой параметр фотона, а также из особенностей строения естественных и технических измерительных средств, используемых при измерении параметров света. Спецификой света как объекта измерения является его мобильность. Свет, в сущности, измеряется не столько по собственным характеристикам, сколько по оценке последствий его поглощения. И эти последствия (для целей измерения) должны быть различными для разных значений измеряемого параметра. Последствия должны быть не просто различными. Величины различия последствий должны неким образом коррелироваться с различиями в величине измеряемого параметра. Причинная связь между измеряемым явлением и его последствием должна дополняться функциональной связью между количественными значениями измеряемого параметра и количественными значениями величин последствий.

Одним из таких технических средств оценки параметров света является цветная фотопленка. Строение цветной фотопленки приведено в материале 

Теория и практика фотографирования. Цветная фотопленка.

  http://compartstudio.com/photobook/21.htm

 

Следует обратить внимание на то, что цвета света различаются с помощью одинаковых (черно-белых) светочувствительных слоев. Следовательно, различает воспринимаемый цвет не особый тип вещества, а местоположение слоя, воспринимающего свет. Вещество одинаково, что для черно-белого, что для цветного света. Следует также обратить внимание на общую толщину светочувствительных слоев – она менее 0,001 мм, что означает менее 1000 нм, а это и есть диапазон волн видимого света (380 – 760) нм. Из этого вполне определенно следует, что измеряется длина волны.

В цифровой видео и фотоаппаратуре точно также цвета различаются с помощью многослойного светочувствительного полупроводника.

Ну и самое интересное это то, что светочувствительные рецепторы глаза тоже построены на принципах многослойных элементов. Светочувствительные колбочки (цветные рецепторы) и палочки (черно-белые рецепторы) имеют множество пластин, сложенных в столбик, каждая пластина содержит светочувствительные белки. Количество пластин в каждом рецепторе оценивается в 600 - 2000 шт. Фотоны, пронизывая стопку пластин, «отмечаются» на тех из них, местоположение которых соответствует максимумам величины колеблющейся напряженности электрического поля внутри фотона, то есть длине волны фотона. Фотоны же имеют электромагнитную природу и в них должны быть электромагнитные колебания.

Вот они-то и оставляют следы на разных пластинах светочувствительного рецептора. На каких именно? – как раз и определяется длиной волны. После того, как следы на пластинах оставлены, остается лишь измерить расстояние между этими пластинами. Единицы измерения длины при этом не столь важны,  они же относительны.

 

К сожалению, в исследованиях по восприятию цвета приоритетной пока считается  трехкомпонентная концепция, в соответствии с которой цвета различаются разными колбочками, специализирующимися на поглощении либо синего, либо зеленого, либо красного цвета. Имеются эмпирические исследования, подтверждающие различное поглощение фотонов разными колбочками в зависимости от их длины волны. Однако конкретные значения максимумов поглощения этими колбочками вызывают недоумение. Во-первых, максимумы оказываются различными в разных источниках, во-вторых, их значения не соответствуют заявленным цветам. Как правило, указывают максимумы поглощения 420 нм, 531-534 нм, 558-564 нм. Но эти диапазоны вовсе не соответствуют заявленным цветам (синий, зеленый, красный) - первый принадлежит фиолетовому диапазону спектра (395-435 нм), а все остальные зеленому (495-570 нм). Синего и красного нет вообще, как нет и остальных цветов радуги. Но в реальности-то все цвета есть, все цвета воспринимаются и различаются зрением с дифференциальным порогом примерно в 2 - 3 нм.

К тому же идея трехкомпонентной концепции предполагает, что все колбочки являются специфичными, настроенными на прием только своей длины фотонов. А это уже вызывает массу вопросов. Ведь фотон может попасть в любую колбочку, траектория его движения предопределяется местоположением точки на предмете, излучившей этот фотон, и состоянием оптической части зрительной системы (линии взора, состояние зрачка и фокусировки). В результате попадания фотона не в «свою» колбочку измерение будет просто утеряно, и такие потери измерений наблюдались бы массово. Но этого в реальности не происходит, зрительная система достаточно рачительна и имеет высокое разрешение по длине волны.

Из всего этого можно сделать вывод, что трехкомпонентная концепция далека от реального положения вещей. Впрочем, трехкомпонентная концепция колбочек и не является общепризнанной. Некоторые авторы отрицают специфичность колбочек, и прямо утверждают, что "методом микроспектрофотометрии удалось установить, что даже одиночная колбочка может поглощать лучи различной длины волны". /В.М. Смирнов, С.М. Будылина, Физиология сенсорных систем и ВНД, 2003, с.52./  Такой же вывод следует из положений данной статьи – колбочки воспринимают весь диапазон видимого света, но информацию о каждом поглощенном фотоне передают по отдельному каналу. Информация от светочувствительных белков по каждому поддиапазону складывается и передается в нейроны.

Такая гипотеза позволяет объяснить еще одну загадку в поведении светочувствительных колбочек – их «чувствительность» по эмпирическим данным оказывается в сто раз меньше чем чувствительность черно-белых палочек. Объяснение этому феномену с позиций простое: каждая колбочка способна поглощать фотоны всего видимого спектра, но раздельным образом - по диапазонам в 2-3 нм, который соответствует выявленному дифференциальному порогу различения цвета зрительной системой человека. Рецепторы, именуемые светочувствительными палочками, воспринимают все длины волн оптического диапазона без различения цвета. Светочувствительные палочки складывают все поглощения без разделения на частотные диапазоны, а колбочки каждый диапазон передают отдельным каналом. Если общий диапазон видимого света (400-700 нм) разделить на 100 (разность в чувствительности палочек и колбочек), то как раз и получится величина дифференциального порога различения цвета.

Эта гипотеза способна объяснить и разнобой в максимумах поглощения в эмпирических исследованиях чувствительности. Ведь эмпирические измерения поглощения света колбочкой неизбежно сопряжены с физическим доступом измерительного щупа в тело рецептора и в канал передачи информации от светочувствительного белка в анализатор. В какой канал попадет щуп исследователя, тот диапазон и будет в максимуме. А поскольку все исследования и измерения связаны с микроразмерами клеток и исключительной труднодоступностью исследуемых объектов и процессов в них, то попасть в какой-то конкретный один канал, не задев и не повредив другие, очень затруднительно. Отсюда разброс данных по максимумам и форма зависимостей. Кстати, эмпирические измерения чувствительности палочек и колбочек были проведены еще в 1955 году на обезьянах, и с тех пор данные этих измерений кочуют от учебника к учебнику по нейрофизиологии.

 

Какие еще могут быть сомнения, что измеряемым параметром является длина волны фотона?