Reichenbachovo spektrum - závěrečné shrnutí

Elektromagnetické spektrum, zvané též Maxwellova duha, zahrnuje elektromagnetické záření všech možných vlnových délek. Přestože je dělení jednotlivých spekter Maxwellovy duhy poměrně vyhovující, může občas dojít k jejich překryvům (např. radiové vlny zasahují až do tzv. daleké FIR oblasti). Dle vžitých definic infračervené záření pokrývá frekvence 300 GHz až 400 THz, avšak uvedený rozsah je nutno brát s určitou rezervou, neboť neexistují přesné hranice pro jeho vyme­zení v elektro­mag­netickém spektru. Ve skutečnosti byly zvoleny jen jakési definiční meze, které se občas různí. Podle vžité konvence dále dělíme infračervenou ob­last podle vlno­vých délek záření ještě na dalekou (FIR z angl. far infrared), střední (MIR z angl. mi­ddleinfra­red) a blízkou (NIR z angl. near infrared). Vlnové délky viditelného světla pak v Ma­xwel­lově duze nachá­zíme mezi vlno­vými délkami ultrafialového záření a infračerveného záření. V ně­kterých ob­lastech vědy a techniky může být však světlem chápáno i elektromagnetické záření libo­volné vl­nové délky. Proto se také někdy o in­fračerveném záření hovoří jako o infračerveném světle (infra­red light IRL). Pak má ovšem infrared světlo (jako elektromagnetická vlnění vůbec) tři zá­kladní vlastnosti světla: amplitudu, frekvenci a polarizaci (úhel vlnění).  

Obecně platí, že všechny objekty nad absolutní nulou vyzařují energii. Tato energie je chá­pána ně­kdy jako tepelné záření, jindy zas jako infračervené záření, které je podle dosavadních představ neviditelné pro lidské oko, ale může být de­tekováno pomocí elektronického zařízení, nazývaného pasivní infračervené čidlo. Infračervené spektrum je ve svých de­tailech charakteristické pro jednot­livé látky natolik, že prakticky neexistují dvě sloučeniny, které by měly zcela shodné infračervené spektrum. Při po­kojové teplotě připadá maximum spektra tohoto záření na vlnové délky kolem 10 mikronů, tedy na frekvence kolem 30 THz. Název "terahert­zové záření" se dosud běžně používá (např. v THz spektroskopii) pro elektromagnetické záření o frek­vencích 0,1 - 5 THz. Jde tu o pře­chod mezi in­fračerveným zářením a mikrovlnným zářením. Na roz­díl od klasického infračerveného záření, které je většinou látek intenzivně pohlcováno, pro toto zá­ření by měly být alespoň některé látky tzv. průhledné. Ovšem už sám termín "průhledné" asociuje jiný vžitý ter­mín - a to "světlo".

Jestliže různé látky při pokojové teplotě (mají stejnou teplotu) neustále vyzařují na terahertzo­vých frekvencích, charakteristických pro jejich chemické a fyzikální vlastnosti, kde má vlastně ta­kovéto záření svůj původ? Odpověď na tuto otázku je prostá: toto záření není ničím jiným než projevem chaotického pohybu, který vykonávají všechny základní částice. Jejich pohyb není možné bezpro­středně pozorovat ani těmi nejdokonalejšími přístroji - pozorovat můžeme jen mak­roskopické jevy jako souhrn těchto mik­roskopických pohybů. Dokud tato jednoduchá fyzikální skutečnost, tedy existence mikroskopického pohybu základních částic látek nebyla známa, pomá­hala si fyzika při vý­kladu makroskopických jevů představou "fluida", které nazvali fyzici teplem. A stav látek, podmí­něný pří­tomností určitého množství to­hoto fluida, nazvali teplotou. Z těchto příčin se i v sou­čas­nosti nazý­vají tyto jevy te­pelné a mechanický pohyb, který je jejich bezprostřední příčinou, te­pel­ným pohy­bem.

Jinak řečeno, za vnímáním "plamenů" nad magnety z Reichenbachových experimentů v temných komo­rách bychom tak mohli hledat schopnost člověka vnímat makroskopické projevy tepelného pohybu (tak jako například pozorujeme tzv. Brownův pohyb pylových zrnek), tedy pozorovatelný chaotický pohyb molekul ovzduší (vzduchu s příměsí mikroskopických částic prachu a vodních par), který vzniká následkem fluktuací v koncent­raci atomů a molekul, vykoná­vajících te­pelný pohyb. Člověk (a po­chopi­telně i řada jiných živočichů) by však musel být pro tako­véto vní­mání vybaven dosud nepoznanými exte­rorecep­tory, zaměřenými do okolního prostředí. V případě lidského vnímání pod pojmem receptory rozumíme buňky specializo­vané na přeměnu určitého typu vnější energie (adekvátního podnětu) v elektrické signály. Fotore­ceptory v elektrické signály mění podněty elektromagnetického záření, označo­vaného za světlo. Ovšem fotoreceptory mohou být u různých živočichů různě složité, přičemž mo­hou po­sky­tovat různé typy počitků. Jsou nejvíce variabilní ze všech druhů smyslových receptorů, pře­de­vším proto, že schopnost vnímat světlo měly už původní ektodermální buňky ži­vočichů. A právě variabilita těchto receptorů opravňuje předpoklad, že mohou být zodpo­vědné i za případné lidské vní­mání te­ravln, při­čemž samo vní­mání teravln by pak představovalo složitý proces organizace smyslových dat ve vjemy.

Mnohé se zdá nasvědčovat tomu, že by se s Reichenbachovými poznatky mohly prolínat nejno­vější po­znatky z oblasti THz záření, získané při konstrukci a provozu terahertzových kamer nejno­vější ge­nerace, či dokonce naše dosavadní představy o infračerveném světle. Pokud tedy chceme zabránit dalším zmatkům a Reichenbachovo "světlo" odlišit od nám známého viditelného světla, bylo by vhodnější o něm napříště hovořit například jako o Reichenbachově infračerveném světle. U tohoto světla představuje jeho amplituda "svítivost" a jeho frekvence "barvu". Inten­zita Reichen­bachova světla je pak dána koncentrací fotonů absorbovaných okem. Vymizení světel­ného vjemu je dáno minimální velikostí absorbované energie fotonů v oku a jejich minimální kon­centrací.   

Pokud Reichenbachovy poznatky o senzitivním vnímání v temných ko­morách mohou poukazovat na existenci dosud nepoznaných exteroreceptorů, přijímajících infor­mace z vnějšího pro­středí pro­střed­nictvím teravln (tedy receptory, v nichž mohou být případně genero­vány i elektrické sig­nály, putující k nervovým vláknům pro barevné vidění), pak zde platí, že nej­menším kvantem te­ra­hert­zové energie, stejně jako je tomu u klasického světla, je elektro­magnetické kvantum zvané fo­ton. A v případě fotonů nesmíme v popisech procesu lidského vnímání nikdy za­pomínat na již pro­káza­nou mimo­řádnou citlivost. Samozřejmě nelze srovnávat intenzitu Reichenbachova světla s intenzitou denního světla, nebo světla umělého původu, používaného k nasvícení obytných prostor. Pokud jde však o frekvence Reichenbachova světla (coby makroskopických projevů tepelného pohybu) v uvažovaném rozsahu zhruba od 10 THz po několik desítek THz, zdá se být tento rozsah nahony vzdálen frekvencím nám dobře známého světla viditelného. Ovšem viditelné světlo se nalézá podle současných po­znatků a některých autorů odborných statí na frekvencích 3,8.10¹⁴ - 7,9.10¹⁴ Hz, což tedy zna­mená, že tu jde o rozsah 380 - 790 THz, který je o pouhý jeden řád vyšší. Přesto bývají frek­vence několika desítek THz skeptiky považovány za příliš slabé podněty pro lidské vnímání. Jenže při procesech lidského vnímání je třeba brát v úvahu i rozlišovací schopnosti lidských receptorů.   

Mezi intenzitou podnětu a receptorovou odpovědí (potenciálem) nejde o lineární vztah, neboť re­ceptory obecně reagují při změně intenzity podnětu jen na logaritmus této změny. Takovýto vztah je označován za Weber-Fechnerovo pravidlo, podle kterého lidské receptory dokáží lépe ro­zeznat změnu v malých intenzitách než stejnou změnu velkých intenzit. Tuto vlastnost receptorů lze chá­pat jako kompromis mezi potřebou citlivosti na jedné straně a velkým rozsahem intenzit při­cházejí­cích z vnějšího světa na straně druhé (zde se jedná o rozsahy až 10tiřádové). Lineární zá­vislost by totiž vedla buď k příliš malé citlivosti, nebo k příliš brzkému nasycení (saturaci) receptorů. Lo­garit­mická závislost umožňuje dostatečnou citlivost i rozlišení v oblasti slabých podnětů (což je pro funkci organizmu důležitější) při zachování širokého spektra vnímaných intenzit. Tento kompromis mezi rozlišovací schopností a saturačním prahem (nasycením) receptorů jim umož­ňuje zachovat odstupňovanou reakci na velmi široký rozsah intenzit současně s velkou citli­vostí pro slabé pod­něty. Navíc se lidské fotoreceptory vyznačují i tzv. postranním útlumem, tedy laterální inhibicí, která se týká prvního zpracování vstupní informace. Zjednodušeně řečeno, jde tu o zvý­raznění ur­čité složky podnětu na úkor složky jiné. Výsledkem laterální inhibice je pak vyšší rozlišo­vací schopnost.  

Sítnice lidského oka se svými fotoreceptory (fotopigmenty) a komplikovanými nervovými spojeními, vý­vojově patřící k mozku, je ne­smírně složitý orgán. Nejenže jsou zde spolu propojené skupiny sou­sedících tyčinek i čípků (a to jak každý typ buněk zvlášť, tak i oba vzájemně dohromady), ale také v obou synaptických vrstvách existuje i síť dlouhých, napříč běžících spojení, která umožňují kom­binování signálů ze vzdálenějších buněk. Barevné vidění je především záležitostí čípků, ale existují důkazy, že i tyčinky se na něm mohou za jistých okolností částečně podílet. A i když se v procesu barevného vi­dění uplatňují především čípky, sehrávají zde podstatnou roli též buňky v pá­ro­vém útvaru nazývaném Corpus ge­niculatum laterale (oblé vyvýšeniny obsahující já­dro, ve kte­rém se střídají vrstvy bílé a šedé hmoty, zapojené do zrakové dráhy) z mezimozku, ne­boť každá z těchto bu­něk reaguje podnětem na impulzy, které vznikaly určitou vlnovou délkou a omezením na impulzy jiné vlnové délky. Už jenom fakt, že v lidském oku existuje více než 100 miliónů fotore­ceptorů, zatímco optický nerv obsahuje jen asi 800 tisíc vláken, naznačuje, že do­chází k opravdu masivnímu kombinování a procesování signálů.

Podle všeobecně akceptované teorie pak mozek z oka nepřijímá přímo různé signály tyčinek a čípků, ale spíše jeden signál repre­zentující jas a dva signály zachycující barevnost: jeden určující jak moc je vjem červený nebo ze­lený a druhý, který udává jak moc je žlutý nebo modrý. S touto te­orií „protibarev“ přišel v roce 1878 Ewald Hering, který argumentoval tím, že zatímco jsme schopni vidět různé odstíny barvy modro-zelené,  zeleno-žluté, žluto-červené (oranžové) a červeno-modré (fialové), neexistuje nic tako­vého jako žluto-modrá, nebo červeno-zelená barva. Tyto barvy se zdají být vzájemnými protipóly. Názory na to, jak se jednotlivé druhy fotoreceptorů přesně na vzniku těchto tří signálů podílejí, se ale liší a existuje několik neuronových modelů. Běžné teorie barev­ného vidění tak ve skutečnosti před­sta­vují jen hrubou před­stavu o vnímání barev a světla. Proza­tím neexistuje žádný uspokojivý kom­plexní model práce to­hoto systému, který by funkci sítnice s dostatečnou přesností popsal a vy­světlil jak přesně do­chází ke všem dosud studovaným jevům, natož pak k jevům pozo­rovaným při experimentech, v nichž bylo již prokázáno, že člověk vidí i něco, co z hle­diska fyziky zdánlivě vidět nemůže.

Nemusíme se vracet až k Reichenbachovi do 19. století, stačí se podívat do 60. let století minu­lého, kdy byly publikovány experimenty profesora Dr. Ivo Kohlera, který navá­zal na pokusy s prizmatickými brýlemi Dr. Hajose v Innsbrucku. Pokusné osoby, jejichž zrak byl před experimen­tem ovlivňován prizmatickými brýlemi (podobně experimentoval již George Stratton), zavedl pak prof. Kohler do místnosti, svým charakte­rem podobné temné komoře. Místnost byla osvícena pouze monochro­maticky žlutým sodíkovým světlem, proto také běžný pozorovatel v této místnosti viděl veškeré předměty jako žluté. Avšak všechny pokusné osoby, jejichž zrak byl před experimen­tem ovlivňován prizmatickými skly brýlí, v této místnosti viděly předměty v dokonalých, ve sku­teč­nosti pro jiné pozorovatele naprosto neexistujících barvách. Ostatně o neexistujících, přesto však po­kusnými osobami pozorovaných barvách nakonec hovoří i věhlasný fyzik Feynman ve svých před­náškách, dotýkajících se mechanizmu vidění: jedná se zde o kotouč, rozdělený na ně­kolik dílů jako naporco­vaný dort. Části jsou střídavě bílé a černé. Když se kotouč roztočí, vidí na něm pozo­rovatel barvy, které kvantová fy­zika ne­dokáže vysvětlit.     

Současný, doslova košatý "post-Stratton" vědecký výzkum, navazující na poznatky nashromáždě­né v experimentech profesora Kohlera, rozhodně nemůže Reichenbachovy experimenty zcela opomenout. Je jenom otázkou času, kdy se fyziologové a psychologové k Reichenbachovým po­znatkům o vnímání barev v temných komorách vrátí. Tedy k pozorování spektra barev, do jisté míry podobného nám dobře známé duze, která se objevuje v okolní přírodě po dešti, kdy se slu­neční světlo láme na molekulách vody. Světlo tu vstupuje do opticky hustšího prostředí a rozkládá se na jednotlivé barevné složky spektra, ve kterém rozlišujeme sedm jednoduchých barev, jejichž pořadí je vždy stejné. V pořadí od nejmenší frek­vence k nejvyšší jsou to barvy : červená, oranžová, žlutá, zelená, modrá, indigová a fialová.

A v pří­padě barev, které se objevují nad magnety, hovoří o barevném spektru i Reichenbach. Při poku­sech s permanentními magnety se mu podařilo, jak sám říká, od sebe oddělit některé barvy to­hoto spektra. Dostatečně výmluvné jsou popisy experimentů s tyčovým magne­tem, který postavil na stůl v temné komoře svisle tak, aby svým severním pólem směřoval vzhůru. Ploška na pólu magnetu dosahovala velikosti zhruba šesti čtverečních centimetrů. Aby tuto plo­chu zmenšil, na­sa­dil na ni Reichenbach železný násadec s hrotem, později s dvěma hroty, až na­konec opatřil ná­sa­dec čtyřmi hroty. A jak Reichebach říká, "každý zářil světlem jiné barvy. První měl plamínek modrý, druhý žlutý, třetí červený a čtvrtý bělavě šedý. Všechny čtyři vystupovaly vedle sebe ze čtyř rohů jednoho konce magnetické tyče. Podařilo se mi tedy od sebe oddělit ně­které barvy tohoto zá­had­ného spektra a každou postavit téměř nezávisle na ostatních. Když jsem s tyčí otáčel pomalu ko­lem její osy, nepohybovaly se barvy s ní, ale zůstávaly na svých místech. Když hrot s původně žlutým plamínkem dospěl k místu, na němž byl před tím hrot svítící modře, přešla žluť v modř, po­dobně modř v šeď, šeď v červeň atd. Barvy tedy nebyly závislé na tyči, ale na nějakém jiném ze­vním vlivu. Ten jsem záhy našel: byly to světové strany, které měly vliv na barvu na jednotlivých hrotech u magnetu."   

Dále pak píše: "Modré světlo bylo vždy na hrotu, který směřoval k severu, žluť na hrotu západním, červeň na jižním a šedivá běl na východním. Ať jsem tyčí otáčel čtyřmi hroty jakkoli, barvy se ne­posunuly, ale zůstaly ve stejném postavení vzhledem ke světovým stranám. Místo čtyř hrotů jsem na konec tyčového magnetu umístil vodorovnou, čtyřhrannou železnou desku. Jakmile se dotkla pólu, vytryskly ze všech čtyř rohů stejně barevné záře, tentokrát uspořádané vodorovně, jako ze čtyř hrotů vystupovaly vzhůru barevné plamínky. Pokud jsem deskou pootočil o 45°, vycházely z rohů směsi barev: na severozápad zelená, jihozápad oranžová, jihovýchod šedočervená a na se­verovýchod fialová. Teď jsem vzal kruhovou železnou destičku a položil jsem ji opět na tyčový magnet. V temnotě se objevil krásný obraz kruhu, kolem dokola z okraje desky  proudilo světlo. Vycházelo ze severu všemi odstíny modré barvy do odstínů zeleně, odtud na západ do žlutoze­lené, na východ do šedivé, na severovýchodě se dost ostře odlišoval červený pruh a konečně při přibližování k severnímu okraji se opět objevilo modré zbarvení."

V jedné z internetových diskuzí se již objevila zajímavá hypotéza, podle které by údajně bylo možné objasnit Reichenbachovo spektrum barev podobně jako spektrum duhy. Základní vlastností vzduchu je totiž jeho vlhkost. Vlhkost vzduchu udává, jaké množství vody v plynném stavu (vodní páry) obsahuje dané množství vzduchu. Omezujícím faktorem je teplota vzduchu, proto zde také platí úměra - čím vyšší je teplota, tím více je vzduch schopen pojmout vodních par. Vzduch v každé místnosti tedy obsahuje určité množství molekul vody. V temných komorách, v místnostech bez oken a možnosti větrání, při dlouhodobém pobytu osob stoupá teplota vzduchu a v důsledku lidmi vydechovaných vodních par i vlhkost vzduchu. Mohli bychom pak předpokládat, že se Rei­chenbachovo světlo láme na molekulách vody a výsledným efektem tohoto procesu je pozorované spektrum barev, kdy každá barva odpovídá určité frekvenci. Jenže takováto hypotéza neřeší zá­kladní problém: pozorované složky barevného spektra se v prostoru vážou ke svě­tovým stranám, tedy jistým způsobem i k orientaci magnetického pole Země.   

A tak se nakonec ani fyzikům nedivím, že se jim do objasnění Reichenbachem popisovaného spektra barev nechce. Ovšem nezávisle na tom, zda fyziologové spolu s psychology označí či ne­označí Rei­chenbachovo spektrum za pouhé iluzorní barvy, bude stále z Reichenbachova od­kazu vyčnívat, ob­razně řečeno, jakýsi Feynmanův "kotouč", tedy fyzikální fundament světelných jevů, pozorova­ných lidmi v temných komorách. O tom, že tento fundament opravdu tvoří fyzikální jevy, svědčí i Reichenba­chův dávno zapomenutý výrok, kdy k pozorovanému světelnému efektu v po­době šroubu na adresu fyziků podotkl, že to, co oni odvodili s po­mocí vynalo­ženého důvtipu "může každé senzi­tivní dítě téměř ohmatat a vylíčit se všemi podrob­nostmi jako smyslový po­zna­tek - totiž vztah mezi směrem mag­netického pole a směrem toku elek­trického proudu, zazna­me­naného Am­pérovým pravidlem." 

Účelem celého pojednání o Reichenbachově výzkumu senzitivního vnímání v temných komorách nebyla interpretace vzpomínaných světelných jevů. Při studiu Reichenbachových po­znatků jsem prostě jen došel k závěru, že na tento pozapomenutý výzkum, ale i na navazující sou­vislosti, je třeba upozornit. Pokud jsem tak u některých čtenářů probudil zájem o hlubší studium Rei­chenbachových poznatků a procesů lidského vnímání z hledisek fyziologie a psychologie, pak roz­hodně splnilo toto pojednání svůj účel. A jak mi napsal jeden z vědců, se kterým jsem během práce na textech komunikoval po internetu, může být toto pojednání možná i "podnětem k zamyš­lení a řešení dalšího z mnoha časem opomenutých otazníků vědy - kde často i laický pohled může pomoci od­halit souvislosti, kterých by si zahloubaní vědci nejspíš ani nevšimli".

Doporučená literatura:

Ivo Kohler - The formation and transformation of the perceptual world. New York : International Universities Press, 1964

Celeste McCollough - Color Adaptation of Edge-Detectors in the Human Visual System, Science, New Series, Volume 149, Issue 3688 (Sep. 3, 1965), 1115-1116.

V.B.Dröscher -  Magie smyslů v říši zvířat, Orbis, 1970

D Jameson, LM Hurvich a FD Varner -Receptoral and postreceptoral visual processes in recovery from chromatic adaptation. Proc Natl Acad Sci U S A. 1979 June; 76(6): 3034–3038

Richard P. Feynman, Robert B. Leighton, Matthew Sands: Feynmanovy přednášky z fyziky 1/3, Fragment, 2000