СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ

Вход или Регистрация

ПОМОЩЬ В ПАТЕНТОВАНИИ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФОРУМ Научно-техническая библиотекаНаучно-техническая библиотека SciTecLibrary
 
Cтатьи и Публикации    Биофизика КВАНТОВАЯ ОПТИМАЛЬНОСТЬ ДНЕВНОГО ЗРЕНИЯ И ФОТОЦВЕТОМЕТРИЯ

 

КВАНТОВАЯ ОПТИМАЛЬНОСТЬ ДНЕВНОГО ЗРЕНИЯ И ФОТОЦВЕТОМЕТРИЯ

 

© М.П. ФИЛИППОВ, А.А. ОВЧИННИКОВ,член-корреспондент АН СССР

Контакт с автором: carboran2@yandex.ru

УДК 523.035:535.6+ 577.3

Обнаруженная нами квантовая оптимальность дневного зрения имеет характер биологической экстремальной закономерности и позволяет заменить классические энергетические представления современной фотоцветометрии на новые для этой области квантовые представления.

_________________________________________________________________

Известно, что эволюция как живой, так и неживой природы может быть отражена в виде некоторых экстремальных принципов, аналогичных вариационному принципу наименьшего действия. Сложность открытия экстремальных закономерностей в биофизике состоит, прежде всего, в сложности правильного выбора определяющего параметра данного процесса. Несомненна важность открытия экстремальных закономерностей зрения — главного информационного канала человека.

В 1927 году в превосходной книге [1], многократно затем переизданной, С.И. Вавилов выдвинул тезис об энергетической оптимальности дневного зрения, как результате эволюционной адаптации глаза к дневному свету. Оптимальность выражалась в совпадении полосы существенной чувствительности глаза (460 – 560 нм) и полосы равноэнергетичности света "среднего" Солнца. При этом главным аргументом была "средняя годичная кривая распределения энергии полуденного Солнца". Этот тезис соответствовал классическим энергетическим представлениям зарождавшейся тогда фотоцветометрии, которые, однако, сохранились и теперь.

Энергетические представления фотоцветометрии, основанные на разработанной в прошлом веке феноменологической трехкомпонентной теории цветового зрения Юнга—Гельмгольца, отражены в международных фотоцветометрических стандартах. Фотоцветометрические цветовые величины сопоставляются с энергетическими величинами; цветовые координаты имеют физический смысл энергетического выхода. Квантовый характер первичных процессов зрения не учитывается.

Концепции, стандарты и методы фотоцветометрии, установленные Международной комиссией по освещению (МКО), детально изложены в книге [2]. Первый фундаментальный стандарт фотоцветометрии — спектр чувствительности глаза V(λ), называемый также спектром визуальной чувствительности или функцией относительной видности, введен МКО в 1924 г. и подтвержден в цветометрических стандартах 1931 и 1964 гг. В видимой части спектра от 380 до 770 нм, где V(λ) >0, различают полосу существенной чувствительности от 450 до 670 нм, где V(λ) > 3, и полосу наибольшей чувствительности от 550 до 560 нм, где V(λ) ≈ 100. Последним достижением цветометрии является равноконтрастная система цветовых координат CIELAB, в которой для нормировки применяется "белый цветовой стимул", т.е. одно из стандартных излучений, моделирующих дневной свет. Эти излучения получены обработкой данных многочисленных спектрофотометрических измерений и характеризуются коррелированной цветовой температурой TR, т.е. температурой черного тела, излучение которого имеет почти тот же цвет, что и стандартное. Наилучшим приближением к дневному свету считается излучение C (ТС = 6774 К), применяемое с 1931 г., и излучение D (TD =6504 К), введенное в 1964 г. и теперь общепринятое. Отметим, что яркостная температура ТS излучения Солнца в видимой области находится в пределах 5700 — 6000 К [3]. Энергетические спектры стандартных излучений W(λ) нормированы так, что W0) = 100 при длине волны λ0 = 560 нм, где спектр чувствительности глаза достигает максимума V0) = 100; точно так нормированы все рассматриваемые здесь спектры, которые представлены на графиках (рис. 1 и 2). Излучения C и D мало отличаются друг от друга, значительно "синее" соответствующих им излучений черного тела ВС и BD с температурой T = TR и существенно (± 20%) отличаются от "равноэнергетического стимула" — излучения Е со спектром W(λ) = 100 во всей видимой области, применяемого для нормировки первоначальных неравноконтрастных цветометрических систем RGB и XYZ. Максимумы энергетических спектров излучений C и D, а также ВС и BD находятся в пределах от 420 до 460 нм у синей границы полосы существенной чувствительности глаза; полосы равноэнергетичности в этих спектрах практически нет. Таким образом, тезис С.И. Вавилова именно об энергетической оптимальности дневного зрения международными фотоцветометрическими стандартами не подтверждается.

Правильный выбор определяющего параметра адаптации дневного зрения к дневному свету возможен только с учетом фотофизики зрительных процессов. По современным представлениям в основе зрения лежит цис-транс-фотоизомеризация хромофора ретинилидена. Исходные процессы включают фотофизический этап — электронное возбуждение хромофора и безызлучательный переход в реакционно-способное состояние и фотохимический этап — перенос протона и изомеризацию, нарушающую стереоспецифическое взаимодействие хромофора с опсином — белком синапсов, соединяющих светочувствительные клетки глаза (палочки и колбочки) с нервными волокнами, что, в конечном счете, приводит к зрительному ощущению. Картина последнего процесса неясна; известные ее детали приведены в обзоре [4].

Лучше изучены первичные фотофизические процессы многоатомных молекул: хромофор, поглотив квант энергии излучения, переходит из основного синглетного состояния S0 в некоторое синглетное возбужденное состояние, а затем, теряя часть энергии вследствие колебательной релаксации и внутренней конверсии, очень быстро, за доли пикосекунды, переходит в первое синглетное возбужденное состояние S1, излучательное время жизни которого составляет наносекунды. В состоянии S1 существует больцмановское распределение по колебательным степеням свободы, однако при температуре глаза T = 310 K максимально заселен нулевой колебательный уровень. При этом колебательная энергия будет сосредоточена именно на колебаниях связей с водородом вследствие их большой ангармоничности, а не на колебаниях связей углеродного скелета хромофора [5], так что перенос протона от возбужденного хромофора к опсину весьма вероятен. Из этой картины следуют выводы, аналогичные известным законам фотоэлектрического эффекта (А.Г. Столетов, А. Эйнштейн), люминесценции (С.И. Вавилов, М. Каша), фотохимии (Й. Штарк, А. Эйнштейн): а) наименьшую энергию возбуждающего кванта определяет энергетическая щель между нулевыми колебательными уровнями состояний S1 и So ("красная граница"); б) число возбужденных комплексов ретинилидена с опсином, вступающих в реакцию изомеризации в условиях термодинамического равновесия с окружением, равно числу поглощенных квантов независимо от их энергии, исключая, вероятно, только окрестность "красной границы". Этому соответствует экспериментальный факт: квантовый выход фотоизомеризации ретинилидена Ф = 1 [4]. Таким образом, глаз представляет собой счетчик квантов, и поэтому для характеристики визуально наблюдаемых излучений важны не энергетические, а квантовые величины, в частности, спектральная плотность потока квантов (квантовый спектр). Поэтому именно спектральный состав световых квантов является определяющим параметром адаптации дневного зрения к дневному свету.

 

Рис. 1. Энергетические спектры излучений C, D, ВС, BD, E, EQ и график функции относительной видности V

 

λ, нм

Рис. 2. Квантовые спектры излучений C, D, ВС, BD, E, EQ и график функции относительной видности V

Для доказательства верности нашего вывода мы рассчитали квантовые спектры W(λ) = W(λ)·λ/λ0 излучений C, D, ВС и BD, используя табличные данные [2] и формулу Планка. Из графика (рис. 2), на котором представлены эти квантовые спектры и квантовый спектр чувствительности глаза V(λ) = V(λ)·λ/λ0, сразу следует, что в полосе существенной чувствительности стандартные излучения C и D очень близки к равноквантовому излучению EQ (W(λ) = const), а максимумы квантовых спектров ВС

и BD и максимум спектра чувствительности глаза почти совпадают. Эти качественные выводы подтверждаются статистическим оцениванием моделей квантовых спектров и исследованием экстремальных свойств квантового спектра черного тела. В полосе существенной чувствительности глаза 450 — 670 нм средние значения <WС> =101,04, <WD> =98,03 и <WСWD> = <Δ> =3,01, а средние квадратические отклонения σ(WС <WС>) = 4,3, σ(WD <WD>) = 2,6 и σ(Δ <Δ>) = 5,2 (для сравнения σ(WС <WС>) =14,2 и σ(WD <WD>) = 13,5). Таким образом, стандартные излучения существенно отличаются от равноэнергетического излучения E и мало отличаются от равноквантового излучения EQ, меньше, чем друг от друга. При этом доверительные интервалы таковы, что |W<W>| <2σ(W <W>) и |Δ <Δ>|<2σ(Δ < Δ>), т.е. статистические гипотезы о равноквантовости стандартных излучений и однородности использованных данных могут быть приняты с вероятностью 0,95. Аналогичный результат можно получить для всей видимой области, если вычислять взвешенное среднеквадратическое отклонение со спектром чувствительности глаза в качестве весовой функции.

Таким образом, этот результат доказывает существование квантовой оптимальности дневного зрения, выражающейся в совпадении полосы существенной чувствительности глаза с полосой приблизительной равноквантовости дневного света 450—670 нм. Равноквантовое излучение EQ можно считать абсолютным стандартом белого света с неизменной цветовой температурой. Очень хорошим приближением к равноквантовому излучению являются эмпирические стандартные излучения C и D. Координаты цветности излучений C, D и EQ близки: xC = 0,3101, yC = 0,3162; xD = 0,3127, yD = 0,3290; xEQ = 0,3071, yEQ = 0,3108. Рассчитанные средние квадратические отклонения дают оценку погрешности существующих энергетических цветометрических систем, обусловленную неучетом квантового аспекта зрения. Уменьшение этой погрешности от 4,3 (1931 г), до 2,6 (1964 г.) объясняется совершенствованием техники измерений. Последнее значение соответствует характерному неустранимому отклонению визуальных оценок цвета от инструментальных оценок с применением энергетических цветометрических систем [6].

Практическая применимость равноквантового излучения несомненна. Как стандарт ахроматичности оно применимо при измерении белизны материалов, окрашенных оптическими отбеливателями, которое остается проблемой, несмотря на значительные усилия и существование множества "формул белизны" [2]. Это излучение может стать надежным репером для нормировки цветометрических систем. Нетрудно представить квантовую цветометрическую систему с координатами, имеющими физический смысл квантового выхода зрительных процессов, а не энергетического выхода. Классические энергетические представления в фотоцветометрии являются, на наш взгляд, досадным анахронизмом и должны быть заменены квантовыми представлениями.

Вывод о квантовой оптимальности дневного зрения подтверждается также исследованием экстремальных свойств квантового спектра излучения черного тела W,T) = 2πλ-4 [ехр(hc/kλT) — 1]-1. Как известно [7], он достигает максимума, когда λmТ = 0,255 hc/k = 0,367·10-2 м·К (квантовый аналог закона смещения Вина). При цветовых температурах стандартных излучений длины волн, соответствующих максимумам λmC = 542 нм и λmD =565 нм, очень близки к полосе наибольшей чувствительности глаза 550—560 нм, т.е. квантовый поток дневного света используется глазом максимально. Это можно выразить отношением, имеющим смысл квантового выхода

ηW(T) = ∫W,T) V,T)dλ/∫W,T)dλ → max при TTD.

Аналогично, отношение, имеющее смысл эффективности использования чувствительности глаза,

ηV(T) = ∫W,T) V(λ)dλ/∫V(λ) dλ → max при TTD,

причем ηV(TD) ≈ 100. Эти отношения наиболее полно выражают обнаруженную нами биологическую экстремальную закономерность — квантовую оптимальность дневного зрения. Наконец, отметим, что максимум квантового спектра Солнца находится в полосе длин волн от 610 до 640 нм, т.е. в оранжевой области спектра, а что Солнце оранжевое, это очевидно.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Вавилов С.И. Глаз и Солнце. М.: Наука, 1981. 125 с.

  2. Джадд Д., Вышецки Г. Цвет в науке и технике. М.: Мир, 1978. 592 с.

  3. Поток энергии Солнца и его измерения / Ред. О. Уайт. М.: Мир, 1980, с. 187-211.

  4. Uhl R., Abrahamson E.W. - Chem. Rev., 1981, vol. 81, № 2, p. 291-312.

  5. Плотников В.Г., Овчинников А.А. - Усп. хим., 1978, т. 47, с. 444-476.

  6. Morlеу D.I., Munn R., Billmeyer F.W. - J. Soc. Dyers and Colour., 1975, p. 229-241.

  7. Таблицы физических величин / Ред. И.К. Кикоин. М.: Атомиздат, 1976. 1008 с.

 Примечание

Статья “КВАНТОВАЯ ОПТИМАЛЬНОСТЬ ДНЕВНОГО ЗРЕНИЯ И ФОТОЦВЕТОМЕТРИЯ” была опубликована 25 лет тому назад (Филиппов М.П., Овчинников А.А. - ДАН, 1982, т. 266, № 6, с. 1494-1498.), но не была замечена специалистами фотометрии, колориметрии, биофизики и других областей науки и техники, имеющих отношение к проблемам, затронутым в этой публикации. Проблема усовершенствования стандартов колориметрии актуальна и в настоящее время. Настоящий вариант статьи не содержит технических ошибок, которые имелись в варианте 1982 года.

 

 

 

Дата публикации: 13 января 2008
Источник: SciTecLibrary.ru

Вы можете оставить свой комментарий по этой статье или прочитать мнения других в следующих разделах ФОРУМА:
Свернуть Защита интеллектуальной собственности и авторских прав
Диспуты по темам изобретательства. Вопросы по изобретениям, проблемы на пути изобретателей и методы их решения.
Патентование. Все о патентовании изобретений, полезных моделей, промышленных образцов и товарных знаков.
Нерешенные задачи. Здесь идет обсуждение нерешенных задач: безопорный двигатель, вечный двигатель, преодоление гравитации и пр.
Свернуть Точные науки и дисциплины
Дебаты по Теории Относительности Эйнштейна. Все кому не лень хотят опровергнуть Теорию Относительности Эйнштейна. Вам предоставляется слово для аргументации.
Физика, астрономия, математические решения. Физико-математические вопросы, наблюдения, исследования, теории и их решение.
Физика альтернативная. Новые взгляды на физические законы, теории, эксперименты, не вписывающиеся в общепринятые законы физики.
Teхника, узлы, механизмы, электроника и аппаратура. Все про технику, приборы, детали, узлы и механизмы. Электроника, компьютеры, программное обеспечение. Новые технические решения в самых разных областях.
Биология, Генетика, Все о жизни. Генетика и другие вопросы биологии. Их развитие. Медицина. Биотехнологии, агротехника и сельское хозяйство. Эволюционные теории и альтернативные им.
Химия. Вопросы по химическим технологиям, разработкам и применению химических материалов. Химические элементы и их свойства.
Геология, все о Земле и ее обитателях. Геология, метеорология, антропология, сейсмология, атмосферные явления и непознанные эффекты природы.
Свернуть Мозговой штурм
Генератор решений. Здесь Вы можете заработать реальные деньги, помогая решать фирмам, предприятиям и частным лицам те или иные технические задачи, которые перед ними стоят. Те, кто ставят задачи перед участниками должны обозначить гонорар за ее решение и перевести указанную сумму на общий счет генератора.
Головоломки. Если у Вас есть желание поломать голову над интересными логическими задачами - Вам сюда.
Гипотезы. В этой теме идет обсуждение гипотез и предположений, основанных чисто на теории и логике.
Найди ляп! Этот раздел для тех, кто хочет мысленно расслабиться. Он посвящен задачам по поискам ляпов, которые встречаются в литературе, интернете, кино и на телевидении.
Свернуть Взгляд в будущее и настоящее
Глобальные темы. Вопросы касающиеся всех. Глобальные угрозы и злободневные темы современности.
Наука и ее развитие. Все о развитии науки, направлениях и перспективах движения научной мысли и знаний.
Новая Цивилизация. Принципы социального устройства новой цивилизации. Увеличение роли созидательного интеллекта... Отдалённые перспективы развития человечества...
Вопросы без ответов. Этот раздел посвящен вопросам и проблемам, которые до сих пор не решены. Предлагайте свои решения.
Военная стратегия и тактика современных боевых действий. Об особенностях современного военного искусства. Проблемные вопросы теории и практики подготовки вооруженных сил к войне, её планирование и ведение в различных конфликтах на планете.
Свернуть Гуманитарные науки и дисциплины
Философские дискуссии. Диспуты по вопросам жизни, сознания, бытия и иных философских понятий.
Экономика. Вопросы по экономике и о путях развития России и других стран.
Социология, Политология, Психология. В этом разделе обсуждаются вопросы, как отдельных частных исследований данных наук, так и проблема соотношения этих наук с остальными.
Образование. Все об образовании: как учить, кому учить, чему учить и кого учить.
Религия и атеизм. Вопросы религий и атеистические взгляды, религиозные споры.

Хотите разместить свою статью или публикацию, чтобы ее читали все?
Как это сделать - узнайте здесь.

Назад

 
О проекте Контакты Архив старого сайта

Copyright © SciTecLibrary © 2000-2017

Агентство научно-технической информации Научно-техническая библиотека SciTecLibrary. Свид. ФС77-20137 от 23.11.2004.