Оптика жизни: введение

Из всех удивительных частиц нашего опыта – дождь, листья, детские ступни – возможно, самой чудесной является свет. Неопределяемый по существу, свет является первичным питанием для всего на нашей планете, и позволяет нам воспринимать мир почти в магических деталях и разнообразии. Свет фундаментально взаимодействует практически со всеми формами жизни благодаря теплу, зрению, фотосинтезу, а также через более тёмные свои аспекты – такие как повреждения от жёсткого излучения. Только некоторые виды подземных животных могут избегать влияния света.

Несмотря на это, свет остается относительно не изученным биологами. В океанографии, являющейся моей областью науки, существуют инструменты, известные как «CTD» (Conductivity, Temperature, Depth (Проводимость, температура, глубина)), которые измеряют солёность и температуру воды как функцию от глубины. Эти устройства повсеместны, и характеристики водоёма считаются неполными без данных, которые они предоставляют. Тем не менее, хотя свет, как известно, оказывает фундаментальное влияние на распределение, экологию и поведение морских организмов, он редко измеряется, несмотря на наличие созданных специально для этого инструмента недорогих светоизмерительных дополнений. Океанография известна тем, что создаёт тесные связи между физикой и биологией, а в других сферах биологии измерения света ещё более редкие. И что ещё хуже, многие измерения света производятся неправильно. Мало приятного в том, чтобы сообщить коллегам о неприменимости данных их измерений за последние три года, поскольку они не помещали детектор в двухдюймовую картонную трубку.

На мой взгляд, относительная немногочисленность оптических измерений в биологии связана, прежде всего, со следующими факторами. Во-первых, биологи получают очень мало подготовки по этому предмету. Их подготовка обычно ограничивается порцией электромагнетизма из вводного курса физики, из которой они узнают уравнение Максвелла и закон Кулона, но получают мало практических рекомендаций по работе со светом. В оптике есть очень хорошие практические лабораторные курсы, но их, как правило, посещают только физики. Во-вторых, ни в одной другой области не используется такой непонятный и запутанный набор единиц измерения. Отделить поглощательную способность от поглощения и облучённость от энергетической яркости уже не так просто, не говоря о применении нит, канделы и фут-ламберта. В-третьих, необходимое оборудование, как правило, ориентировано на физиков, рекламируется в их журналах и использует их единицы измерения и терминологию. Это оборудование, хотя сейчас и стало компактнее и дешевле чем раньше, по-прежнему относительно недешёво и причудливо в сравнении, к примеру, с финансовым балансом лаборатории.

Наконец, а возможно и прежде всего, недостаточно хороших книг. Да, есть отличные книги по оптической теории и сопутствующему инструментарию, но их чтение требует высшего образования в физике или инженерном деле. Есть три исключения: «Облака в стакане пива» и «Что за свет блеснул в окне» Крэйга Борена, а также «КЭД» Ричарда Фейнмана – замечательные книги, но мало дающие в практическом плане. Есть несколько отличных книг по оптике зрения, моим фаворитом является «Глаза животных» Майкла Ланда и Дэн-Эрика Нильсона, но они не охватывают другие биологически важные аспекты света, такие как рассеяние, эмиссия и поглощение.

Поэтому те несколько разбирающихся в оптике биологов либо пришли из физики (и, как я сам, многое узнали о биологии), либо проходили обучение у совсем небольшого числа биологов, знакомых с предметом. В результате возникла ситуация «бутылочного горлышка», при которой количество интересных биооптических проблем превышает количество людей, способных работать над ними. Когда я был ребёнком, одним из моих любимейших занятий было разрушение заторов в ручьях. Я надеюсь, что эта книга, предоставив основы, необходимые для измерения света и использования его в биологических исследованиях, разрушит бутылочное горлышко заторов и приведёт к появлению новых результатов и идей.

Что такое свет?

Оптика – это про свет, и поэтому, видимо, мы должны начать с того, что такое свет. Я понятия не имею. Я размышляю о свете с пятилетнего возраста, и ничуть не приблизился к пониманию его фундаментальной природы. Впрочем, я в достойной компании. Даже Ричард Фейнман, один из создателей теории взаимодействия света и материи, и человек, широко признанный как один из лучших объяснителей физики, говорил, что свет не может быть понят. У нас есть математические уравнения, позволяющие с точностью более двадцати значимых цифр предсказать, как будет вести себя свет, но никто не предложил имеющее смысл описание света. И не похоже, что оно когда-либо появится.

Корень проблемы заключается в том, что называется «корпускулярно-волновым дуализмом», который обычно описывается как «свет иногда ведёт себя как частица и иногда ведёт себя как волна». На языке физики частиц луч света представляет собой поток фотонов – маленьких частиц, не обладающей массой, но обладающих энергией и импульсом, и движущихся с большой скоростью. На языке физики волн луч света представляет собой серию волн изменяющейся напряжённости электрического и магнитного полей, характеризующихся фазой, амплитудой, длиной волны, и движущихся с высокой скоростью (подобно фотонам). Чтобы интуитивно описать что делает свет, вам нужно прыгать туда-сюда между этими двумя определениями. Это непросто. Трудно думать о чём-то как одновременно о яблоке и апельсине, не говоря уж о единстве микроскопического шара и прозрачной волны, заполняющей собой всё пространство. Сочетание двух изображений вообще не помогает. Например, когда я был молод, журнал Scientific American изобразил фотоны как маленькие сферы с волнообразными крыльями, и этот смешной образ застрял со мной почти на сорок лет (рисунок 1.1).

Похоже что все люди, (а физики в особенности), обладают врождённой нетерпимостью к двусмысленности, и поэтому многие физики выбрали свою сторону. Некоторые из них, как Лэмб (1995), жёстко критикуют других за использование концепции фотонов. Другие, включая Фейнмана (1985), заявили, что свет – это частица, и всё на этом. Поскольку корпускулярно-волновой дуализмом не ограничивается светом, а является свойством всех частиц, он стал фундаментальным параметром при описании нашей вселенной. Если почитать по этой теме достаточно много, то голова начинает зудеть.

Может свет и «на самом деле» либо тот, либо другой, но я предпочитаю практический подход. На мой взгляд, иногда результаты экспериментов со светом легче прогнозировать или понять, используя понятийную систему волн; а иногда результаты лучше объясняются с помощью понятийной системы частиц. Об испускании и поглощении света я предпочитаю думать на языке фотонов, воображая фотоны как маленькие гиперактивные шары, летящие из источников света и втянутые материей. О поляризации и интерференции я думаю на языке волн. Эти два явления можно описать и на языке частиц, но это смахивает на использование политологии для обучения процессу жарки курицы. Рассеяние для меня является серой зоной, и думая о нём, я перемещаюсь туда и сюда между языками частиц и волн.

Подобные колебания с моей стороны усложняют задачу при рассмотрении квантовой механики, темы, которой я коснусь в последней главе. Однако, за исключением некоторых более сложных аспектов фотохимии, поистине странные части квантовой механики не имеют отношения к биологии. Такая точка зрения существует, и исходит она из того, что поскольку принцип неопределенности, нелокальность и другие аспекты квантовой запутанности не играют никакой роли в повседневной жизни людей, то не было и давления естественного отбора для развития их понимания, отвечающего здравому смыслу. И до тех пор, пока мы не встретим вид, в котором квантовая запутанность выражена напрямую, и который возможно сможет объяснить нам её, я считаю, нам просто нужно смириться с тем фактом, что не всё в природе интуитивно понятно.

И хотя отсутствие интуитивного понимания природы света может не удовлетворять нас, оно не влияет на нашу способность прогнозировать события. Другими словами, пока ваши измерения и подсчёты верны, о свете можно думать хоть как о стаде мелких розовых буйволов, и это ничего не изменит. В конце концов, мы не совсем понимаем фундаментальную природу вообще всего, но неплохо справляемся.

Чем является эта книга

Настоящая книга разделена на четыре основных раздела. Первый короткий раздел, состоящий только из второй главы, пытается внести ясность в мешанину единиц измерений, заставляющую многих отказаться от оптики. Следующий и самый большой раздел, состоящий из глав 3-8, описывает на что способен свет, начиная с того, что Крэйг Борен называет рождением, жизнью и смертью фотона (излучение, рассеяние и поглощение) и заканчивая флуоресценцией и поляризацией. Цель этих глав - обеспечить как можно более единое представление об этих процессах. Так, например, преломление и отражение рассматриваются как особые случаи рассеяния. Для иллюстрации отдельных моментов приводятся биологические примеры, но основное внимание уделяется объяснению фундаментальных процессов.

Третий раздел, содержащийся в главе 9, является руководством по измерению света. Эта глава задумывалась стать практичной и подробной. И хотя она не является полным руководством для производства измерений и построения моделей уровня статьи в рецензируемом журнале, она должна ввести вас в курс дела, и, самое главное, показать основные ошибки.

Как упоминалось выше, книга завершается краткой главой о квантовой механике. Несмотря на то, что она не является всеобъемлющей, эта глава даёт почувствовать вкус фундаментальной странности света и всей материи. В этой главе рассматриваются два ключевых эксперимента: интерференция света, проходящего через две щели; и влияние измерения на пару спутанных фотонов.

Эта небольшая книга. Я не хотел писать энциклопедию, возможно, потому, что сам не люблю читать их. Поскольку книга короткая, она написана для того, чтобы быть прочтённой целиком. Более поздние главы часто основываются на материалах, обсуждавшихся ранее. Хотя описания в этой книге являются краткими и (надеюсь!) доступными, их точность была проверена рядом экспертов в области оптики. Я уверен, что всё же напортачил где-то, но надеюсь, что не в принципиальных вещах.

Чем эта книга не является

В этой книге нет гораздо больше, чем ней есть. Самое главное – это книга не о зрении или об экологии зрения. Как я уже упоминал, существует несколько превосходных монографий и совместных работ о зрении людей и животных, и их можно найти в библиографии. Хотя книга содержит некоторые примеры из исследований в области зрения, они далеко не исчерпывающие.

Также это не книга о квантовой теории. Опять же, есть много хороших книг о квантовой запутанности, по факту гораздо больше, чем книг о зрении. Хотя последняя глава дает представление об этом не интуитивном предмете, основная часть книги посвящена классической оптике.

Эта книга также не является исчерпывающим описанием оптики или её истории. Существуют массивные тома, охватывающие все касающиеся оптики тематики, и столь же обширные и противоречивые работы по истории оптики как науки. Говорят, что человек, в чью честь назван научный закон, практически всегда не тот, который его открыл. Густав Ми в действительности был последним человеком, открывшим рассеяние, носящее его имя; ни Ламберт, ни Бер в действительности не ответственны за закон ослабления Ламберта-Бера; и имя Снелла из закона Снелла (Снеллиуса) записывалось неправильно на протяжении как минимум пары сотен лет (он в действительности Снел с одним «л») (Bohren and Clothiaux, 2006). Я делаю всё возможное, чтобы отдать должное исторической справедливости, но только не в ущерб краткости или моей основной цели.

Наконец, это не книга для экспертов. Моя цель – кратко и точно осветить то, что 90% биологов должны знать для использования оптики в своих исследованиях. Насколько это возможно, сложные уравнения и эффекты второго порядка опущены. Поэтому если вы хотите узнать разницу между дифракцией Френеля и Фраунгофера, что представляет собой поверхностный плазмон, или углубиться в тонкости нелинейной оптики, проконсультируйтесь с отличными текстами, предложенными в библиографии. Однако я включил ряд приложений, содержащих формулы и константы, полезные для исследователей на любом уровне.

В итоге эта книга была написана для того, чтобы дать биологам краткое и ясное введение в увлекательную область оптики. Если она побудит вас к более глубоким исследованиям с использованием множества отличных и более специализированных текстов и, что более важно, – через собственный опыт, я буду удовлетворен.

Что ещё почитать

Мои любимые популярные книги по оптике – «Облака в стакане пива» (Clouds in a Glass of Beer) и «Что за свет блеснул в окне» (What Light Through Yonder Window Breaks) Крэйга Борена (Craig Bohren). Эти две книги состоят в основном из статей, опубликованных в журнале «Weatherwise» и представляют собой простые объяснения различных тем в оптике и термодинамике. Никогда не принимающий на веру прописные истины Борен проницателен, практичен и легко читается.

Если вы в ладах с математикой, то Борен в соавторстве с Юджином Клотье написал ещё одну книгу, являющуюся, по моему мнению, лучшим текстом об оптике из когда-либо написанных. Несмотря на довольно специфическое название – «Основы атмосферного излучения» – эта книга охватывает все существенные аспекты оптики. Странно (и случайно) что она близка по содержанию работе, которую вы держите в руках. Возможно это оттого, что исследователи атмосферы разделяют с морскими биологами аналогичное стремление сделать оптику доступной для более широкой публики. К сожалению для биологов, полная оценка содержания этой книги требует определённого количества математических и физических знаний. Тем не менее, из резюме и выводов всё ещё можно многое узнать. Также это один из немногих текстов по физике, который действительно забавно читать.

Каждый учёный должен прочесть «КЭД - странная теория света и вещества» Ричарда Фейнмана (Quantum electrodynamics by Richard Feynman), представляющую собой глубоко переработанную расшифровку четырех публичных лекций по оптике и физике частиц. На 150-ти просто написанных страницах он начинает с зеркал, и доходит до квантовой физики. Даже если вы никогда не работали со светом, книгу стоит прочитать просто для того, чтобы увидеть, сколько данных можно получить из очень простых вещей.

Безусловно, лучшая книга по оптике зрения – «Глаза животных» Майка Ланда и Дэн-Эрика Нильсона (Animal Eyes by Michael Land and Dan-Eric Nilsson). Им удалось объяснить разнообразную архитектуру глаз представителей животного мира несколькими основными принципами.

Наконец, удивительным ресурсом является «Справочник по оптике» (Handbook of Optics), изданный Оптическим обществом Америки и отредактированный Майклом Басом. Но только при условии, что этот фолиант вы можете себе позволить (и сможете поднять!). Второе издание 1995 года выпускается в двух томах, и в его восьмидесяти трех всеобъемлющих главах можно найти почти всё, от базовой геометрической оптики и тонкопленочных покрытий, до оптической океанографии и изготовления голограмм. Существует даже глава из шестидесяти трех страниц о том, как сделать вещи чёрными. Третье издание появилось в 2009 году и состоит уже из пяти томов и весит двадцать фунтов (9 кг). Я не могу себе представить, что они добавили туда ещё.

❋ Следующая страница →