Природа света. Основы информационной оптики - Гульмира Жамантикова

Природа света

Основы информационной оптики

Гульмира Жамантикова

© Гульмира Жамантикова, 2016

© André Sousa Freeimages.com, фотографии, 2016

ISBN 978-5-4483-0892-5

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Введение

Почему зеркало или отполированная поверхность отражает окружающий мир? Почему одни тела прозрачны, а другие – нет? Чем отличается излученный свет от отраженного? Почему изображение в фотоаппарате получается перевернутым?

Подобные детские вопросы покажутся многим банальными, давно изученными и не стоящими внимания. Но они не так просты, как кажутся на первый взгляд, и ответы на них могут дать совершенно удивительную картину бытия, более глубокое понимание сути природных процессов.

Отражение – фундаментальное явление природы

Начнем с понятия отражение. Что это такое, и как оно возникает?

Надо сказать, что отражение – слово многозначное, поскольку обозначает самое фундаментальное (универсальное, распространенное) явление в природе. Оно обозначает не только отражение видимого света, но и любых других волновых процессов: звуковых, тепловых, радиоволн.

Закон отражения одинаково применим и к волновым явлениям, и к механическим взаимодействиям. Угол падения равен углу отражения. Это справедливо и для луча, отраженного от зеркальной поверхности, и для мячика, отскочившего от стены, и для молекулы в модели идеального газа, отскочившей от препятствия.

Слово отражение часто применяется и в повседневной речи, и в художественной литературе. Например, когда мы говорим, что данное произведение прекрасно отражает красоту природы, что жена является отражением мужа, что окружающий мир является отражением мира внутреннего или наоборот. Здесь речь идет об отражении информации.

В геометрии и в математике вообще понятие отражения тесно связано с понятием симметрии и лежит в основе множества закономерностей, разделения чисел на положительные и отрицательные, четные и нечетные и т. д.

Таким образом, мы видим, что отражение – это универсальное явление, а значит и законы отражения должны быть универсальными, независимо от того, в какой области применяются.

По-видимому, это и есть тот самый фундаментальный закон, который связывает волновые, информационные, энергетические и механические процессы воедино.

Что мы знаем об отражении?

Отражение возникает на границе двух сред.

Закон отражения звучит так:

«На границе раздела двух различных сред, если эта граница раздела значительно превышает длину волны, происходит изменение направления распространения света: часть световой энергии возвращается в первую среду, то есть отражается, а часть проникает во вторую среду и при этом преломляется».

Обратите внимание на слова, выделенные жирным шрифтом: «если эта граница раздела значительно превышает длину волны». Понятие границы имеет очень важное значение и требует пояснений.

Граница между средами

Каждый объект (или система) в природе имеет свои границы. Это то, что отделяет внутреннюю среду объекта от внешней среды. Через эту границу происходит обмен с окружающей средой (энергией или веществом). Именно на границе происходят явления отражения и поглощения. Какую-то часть энергии (материи) система поглощает, а какую-то отражает по закону отражения.

Соотношение между поглощенной и отраженной энергией и есть информация, которая дает представление об объекте, о его цвете, структуре, форме, например.

Изучая какой-либо объект, мы познаем его на разных уровнях организации материи.

Если объект имеет размер, сопоставимый с нашим, то мы можем его потрогать, толкнуть, т.е. вступить с ним в физическое взаимодействие. Изучением таких взаимодействий занимается механика.

Мы также можем почувствовать холод, тепло. Это энергетическое взаимодействие, которое изучает термодинамика.

И наконец, мы можем его увидеть на расстоянии, оценить его формы, цвет, степень прозрачности, заметить излучение, свечение, идущее от него. Это волновое взаимодействие, которое изучают оптика, электродинамика и другие разделы физики.

Но когда речь идет о взаимодействии объектов, масштабы которых существенно различаются, мы можем наблюдать переход малого объекта из одной среды в другую, т.е. переход через границу. Это всегда сопровождается преломлением, т.е. изменением характеристик самого объекта. С точки зрения человеческого восприятия это означает изменение сознания, мировоззрения, переход на новый уровень развития, восприятия. Хотя физика процесса довольно проста. И это позволяет понять природу света.

Мы говорим, что свет – это волна, но оптика изучает его как луч. Почему так? Все дело в точке зрения. Если мы представим себя на месте излучающего тела, то наше излучение направлено во все стороны, то есть представляет собой сферические волны, исходящие от нас. Если же мы наблюдаем со стороны излучатель и приемник, то мы мысленно соединяем их прямой линией, которую и называем лучом света.

На поверхности (границе) объекта, которого коснулся луч, происходят различные явления (оптические, термодинамические, химические). И для того чтобы объяснить эти явления, физики вынуждены считать свет потоком частиц (фотонов). Для нас это противоречие, которое не укладывается в сознании, и которое мы назвали корпускулярно-волновым дуализмом. Является ли свет волной или частицей? Или и тем и другим одновременно? Как это понять?

Преодоление корпускулярно-волнового дуализма

С корпускулярной точки зрения, движение и энергия – это есть результат взаимодействия твердых, точечных тел. То есть, тело, точка – это некая первичная статика, от которой отталкивается любой процесс. В этом случае движение носит строго закономерный, детерминированный (причинно-следственный) характер.

С точки зрения волновых процессов, любой объект в природе – есть результат повторяющегося движения, некой функции, имеющей значение для системы. Именно эта необходимая функция формирует некий «орган» – свое материальное воплощение (в виде анатомического органа, атома или космического явления – неважно). То есть движение первично, а статика – есть лишь некий застывший слепок, срез истории, момент общего, единого процесса.

Истина в том, что оба эти мировоззрения представляют собой крайности, границы, между которыми разворачивается процесс жизни и её эволюции.

И больше всего человека беспокоит то, что происходит на границе двух сред, двух «миров». Поскольку без этого понимания мы живем в квантовом, скачкообразном мире. Согласитесь, что не очень спокойно засыпать в одном мире, зная, что завтра проснешься в совершенно другом, и неизвестно каком.

Для того чтобы это понять, необходимо строго определить, что из себя представляет информационное взаимодействие.

С точки зрения механики, это обмен импульсом. С точки зрения термодинамики, это обмен энергией. В электродинамике – это обмен зарядами. В физиологии – обмен веществ. В повседневной жизни – это словесный обмен, и т. д.

С точки зрения оптики – это совокупность отражения и поглощения волн. И это определение наиболее близко к формулировке универсального определения информационного взаимодействия.

Независимо от того, что мы понимаем под словом информация (волна, энергия, момент импульса, вещество или что-то еще), оно представляет собой некий посыл окружающему миру, пусть даже такой элементарный как «Я есть!».

Этот посыл может быть воспринят другими объектами по-разному. Говоря иначе, отражен под разными углами или поглощен – полностью или частично.

Представьте себе, что Вы послали информационный сигнал другому объекту. Если этот объект отразил Ваш сигнал, то Вы можете сравнить свой, испущенный сигнал с полученным, ответным.

В этом и состоит суть информационного обмена: в сравнении собственного, излученного сигнала с отраженным. Разница в значениях и дает представление об объекте.

Вы посылаете сигнал объекту. Часть сигнала будет поглощена, часть отражена.

Разница между исходным и отраженным сигналами показывает соотношение между вами и объектом по какому-либо признаку, а это и есть количественная характеристика, которую можно использовать как объективную информацию.

Определение:

Информация – это соотношение между излученным и отраженным сигналом.

Данное нами универсальное определение информационного обмена замечательно тем, что оно связывает между собой источник и приемник информации. Иными словами, для возникновения информации необходимо минимум два объекта, отношение между которыми и составляет информацию.