കാഴ്ചയും പ്രകാശവും
പൊതുവിൽ പറയാറുള്ള കാഴ്ചയുടെ വിശദീകരണത്തിൽ വിസരണ (Scattering) ഫലമായി ഉണ്ടാകുന്ന ഇന്റൻസിറ്റി യുടെ സ്പെക്രം (Intensity Spectrum), അഥവാ, പല തരംഗ ദൈർഖ്യത്തിലുള്ള (wavelength) ഊർജ്ജവിന്യാസത്തെ (Energy distribution) കുറിച്ച് പ്രതിപാദിക്കുന്നത് കാണാം. ലളിതമായി പറഞ്ഞാൽ 400nm മുതൽ 700 nm വരെയുള്ള തരംഗങ്ങളോടുള്ള (waves) പ്രതികരണമാണ് നമ്മുടെ കാഴ്ച. ഇവിടെ കാഴ്ച എന്ന പ്രക്രിയ മസ്തിഷ്കം അറിവ് നേടുന്ന പ്രക്രിയയുടെ ഒരു തുടക്കം മാത്രമാണ്. തുടർന്നുണ്ടാകുന്ന നിരവധി സിഗ്നലുകളുടെ പ്രവാഹവും, മസ്തിഷ്കത്തിന്റെ പ്രതികരണവും ഒക്കെ ചേർന്നാണ് കാഴ്ച പൂർണ്ണമാകുന്നത്. അല്ലെങ്കിൽ നിരന്തരമായുള്ള സ്റ്റാറ്റിസ്റ്റിക്കൽ ഇൻഫെറൻസ്ന്റെ (statistical inference) പുതുക്കിച്ചേർക്കലും, തിരുത്തലുകളും എല്ലാം കൂടിയുള്ളതാണ് കാഴ്ച എന്ന അനുഭവം.
കാഴ്ചയുടെ ശാസ്ത്രം
കാഴ്ചയുമായി ബന്ധപ്പെട്ടു രസകരമായ ഒരു കണ്ടെത്തൽ അടുത്തകാലത്ത് ഉണ്ടായത് ശ്രദ്ധിച്ചു നോക്കാം. മുന്‍പ് പറഞ്ഞതുപോലെ, solar radiation intensity (Planks Spectrum) യുടെ ഡിസ്ട്രിബിയൂഷൻ (distribution), ആണ് കാഴ്ചയുടെ തുടക്കം നിര്‍ണ്ണയിക്കുന്നത്. അതിനാൽ തന്നെ, ദൃശ്യപ്രകാശത്തിലെ ഏറ്റവും കൂടുതൽ ഇന്റൻസിറ്റി (intensity) ഉള്ള തരംഗദൈർഖ്യത്തിലേക്കു പരിണാമപരമായി മനുഷ്യന്റെ കണ്ണുകൾ അടുപ്പം കാണിക്കുന്നു എന്ന സിദ്ധാന്തം പൊതുവിൽ അംഗീകരിക്കപ്പെട്ടതാണ്. കുറച്ചുകൂടി കൃത്യമായി പറഞ്ഞാൽ, നമ്മുടെ കാഴ്ചയുടെ വിശദീകരണത്തിന്റെ തുടക്കം, പതിനഞ്ചു കോടി (152 മില്യണ്‍) കിലോമീറ്റർ അകലെയുള്ള സൂര്യന്റെ ഉപരിതലത്തിലെ താപത്തിന്റെ (5800K) അളവിനെ പറ്റിയുള്ള സിദ്ധാന്തത്തിൽ നിന്നും തുടങ്ങണം. പ്ലാങ്കിന്റെ ബ്ളാക് ബോഡി റേഡിയേഷൻ (Planks Spectrum) സ്പെക്രം പരിശോധിച്ചാൽ, 5800K ഉപരിതല താപം ഉള്ള സൂര്യൻ പുറപ്പെടുവിക്കുന്ന വികിരണത്തിൽ, ഏറ്റവും കൂടുതൽ എനർജി അടങ്ങിയിരിക്കുന്നത് ഏകദേശം 500nm ൽ ആണെന്ന് കാണാം. Wein’s displacement law പ്രകാരം നോക്കിയാൽ ഇത് വ്യക്തമാകും (Lambda * T = A constant, 0.002898). എന്നാൽ, നമ്മുടെ കാഴ്ചയുടെ വിശദീകരണത്തിനു, എനർജി അബ്‌സോർപ്ഷൻ (photopic absorption) തിയറി വച്ച് നോക്കുമ്പോൾ, ഈ തരംഗദൈർഖ്യത്തിലാവണം (500nm ൽ) മനുഷ്യന്റെ കണ്ണിലെ കോശങ്ങൾക്ക് ആഗിരണ ക്ഷമത കൂടുതൽ ഉണ്ടാവേണ്ടത്. എന്നാൽ അത് സംഭവിക്കുന്നില്ല, മറിച്ചു, photopic absorption peak ഉണ്ടാകുന്നത് 555 nm ൽ ആണ്. കൂടിയ വെളിച്ചത്തില്‍ കാഴ്ച്ചയെ സാധ്യമാക്കുന്ന പ്രോസ്സസ് ആണ് photopic vision, എങ്കില്‍, മങ്ങിയ വെളിച്ചത്തില്‍ കാഴ്ച്ചയെ സാധ്യമാക്കുന്ന പ്രക്രിയ ആണ്, scotopic vision, ഇതിന്റെ peak വരുന്നത് 507 nm ലും ആണ്.
വിസരണ പ്രകാശത്തിലെ ഊര്‍ജ്ജത്തെ ആഗിരണം ചെയ്യുക എന്നത് മാത്രമല്ല കാഴ്ച, പുറമേ, മൂന്നു തരംഗങ്ങളില്‍ (Blue, Green, Red) എത്തുന്ന ഊര്‍ജ്ജത്തെ interpret ചെയ്യുക എന്നുള്ളതുകൂടി ആവശ്യമാണ്‌ കാഴ്ച എന്ന പ്രക്രിയക്ക് (needs more neuroscientific explanation). മനുഷ്യന്റെ ദൃശ്യതലം (Visual space) കണ്ണില്‍ പതിക്കുന്ന പ്രകാശ രശ്മികളുടെ നിരന്തരമായുള്ള interpretation ന്റെ ഫലമായുണ്ടാകുന്നതാണ്. ഏതൊരുപ്രകാശം കണ്ണില്‍ പതിച്ചാലും മുന്‍പറഞ്ഞ മൂന്നു തരംഗങ്ങളിലൂടെ, അതുമായി ബന്ധപ്പെട്ട photo-receptor cells ന്റെ ഉദ്ദീപനങ്ങളിലൂടെ ആണ് മസ്തിഷ്കം കാഴ്ച്ചയെ സാധ്യമാക്കുന്നത്.
കാഴ്ചയിലെ എന്ട്രോപി (Entropy)
ഇനി മറ്റൊരു വിഷയം, എന്തുകൊണ്ടാണ് നമ്മുടെ കാഴ്ച്ചയുടെ peak 555 nm ൽ ഉണ്ടാകുന്നത്? അടുത്തിടെ വന്ന ഒരു തിയറി വ്യകതമാക്കുന്നത്, കാഴ്ച്ചയുടെ ഫിസിക്സ്‌ വിശദീകരിക്കുവാന്‍ പ്രകാശത്തിലെ ഊര്‍ജ്ജം മാത്രമല്ല, കൂടെ radiative തരംഗങ്ങളുടെ എന്ട്രോപി (entropy), എന്ന ഗുണം കൂടി പരിഗണിക്കേണ്ടതുണ്ട് എന്നതാണ്. എന്ട്രോപി (Entropy), ഇന്‍ഫര്‍മേഷന്‍ തിയറി പ്രകാരം, ഒരു കമ്യൂണിക്കേഷന്‍ സംവിധാനത്തില്‍ അടങ്ങിയിരിക്കുന്ന ഇന്‍ഫര്‍മേഷന്‍ കണ്ടന്റ്, അഥവാ, എത്രമാത്രം ഇന്‍ഫര്‍മേഷന്‍ (Normally we measure it in bits/second) ലഭ്യമായിരിക്കും എന്നതിനെ സൂചിപ്പിക്കുന്നു എന്ന് ലളിതമായി പറയാം. (More details @ Simon Haykin, Communication Systems, 4th edition, Wiley pub.) പ്രകാശ ശ്രോതസ്സില്‍ നിന്നും ഒരു വ്യക്തിയിലേക്ക് എത്തുന്ന തരംഗങ്ങള്‍ ഏതു ആവൃത്തിയില്‍ ആണ്, അതിലെ ഊര്‍ജ്ജവിന്യാസം എത്രയാണ് എന്നതിനൊപ്പം, തരംഗങ്ങളില്‍ എത്രമാത്രം ഇന്‍ഫര്‍മേഷന്‍ അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു എന്നതും പ്രധാനമാണ്. ഇവിടെ, 555 nm ല്‍ കാഴ്ച്ചയുടെ peak വരുന്നതിനെക്കുറിച്ച് ചിന്തിക്കാം. സൂര്യനില്‍ നിന്നും വരുന്ന radiative energy, അന്തരീക്ഷത്തിലെ വാതക തന്മാത്രകളുമായും, പൊടി പടലങ്ങളും (In general, aerosols – suspended particulate matter) ആയും, ഇന്റെരാക്റ്റ് (interact) ചെയ്യുന്നു. ഇതിനെ വിശദീകരിക്കാന്‍ വ്യത്യസ്തമായ scattering തിയറികള്‍ ഉണ്ട്. (Rayleigh scattering – for molecular scattering and Mie scattering for aerosol particles). ഭൌമാന്തരീക്ഷത്തിന്റെ സാന്നിധ്യം, സൂര്യപ്രകാശത്തിലെ 500nm എന്ന മാക്സിമം എനര്‍ജി peak നെ scattering, absorption തുടങ്ങിയയവയിലൂടെ 547nm ലേക്ക് മാറ്റുന്നതില്‍ പ്രധാന പങ്കുവഹിക്കുന്നു. എന്നാല്‍ ഇവിടെയും തീരുന്നില്ല കാര്യങ്ങള്‍. മനുഷ്യന് എങ്ങനെ 555nm എത്തി? ഇവിടെയാണ്‌, എന്ട്രോപി (Entropy) കടന്നുവരുന്നത്‌.
ചിത്രത്തില്‍ കാണിച്ചിരിക്കുന്ന ഗ്രാഫ് നോക്കുക. 5800K താപനിലയുള്ള സൂര്യന്റെ ഉപരിതലത്തില്‍ നിന്നും പുറപ്പെടുന്ന വികിരണങ്ങളുടെ സ്പെക്ട്രം (Spectrum) ആണ് മുകളില്‍. ഇവിടെ എനെര്‍ജി (Energy) ആണ് പൊതുവില്‍ നമ്മള്‍ക്ക് പരിചിതമായ വസ്തുത. എന്നാല്‍ മുകളില്‍ വലതു വശത്തെ (second curve in first graph) ഗ്രാഫ് നോക്കിയാല്‍ അതെ സൂര്യപ്രകാശത്തിലെ എന്ട്രോപിയുടെ സ്പെക്ട്രം കാണാം. നോക്കുക, എനെര്‍ജിയും, എന്ട്രോപിയും ആണ് ഗ്രാഫില്‍. രണ്ടും അതിന്റെ മാക്സിമത്തില്‍ (Maximum) എത്തുന്നത്‌ രണ്ടു വ്യത്യസ്ത ആവൃത്തിയില്‍ (Frequency) ( or wavelength, 500nm for energy and 518nm for entropy). കൂടുതല്‍ വലത്തോട്ട് നീങ്ങിയാല്‍ ഇന്‍ഫര്‍മേഷന്‍ intensity യും കൂടുതല്‍ ഇടത്തോട്ട് നീങ്ങിയാല്‍ എനെര്‍ജിയും (Energy) കൂടി വരുന്നതായി കാണാം.
Schematic representation of the distributions of the energy and entropy of solar radiation
ഇനി ഇതും (ഊര്‍ജ്ജവും അതിന്റെ distribution, entropy and its distribution) കാഴ്ചയും എങ്ങനെ ബന്ധപ്പെട്ടു എന്ന് നോക്കിയാല്‍, മസ്തിഷ്കം ഇന്‍ഫര്‍മേഷന്‍ കണ്ടന്റ് കൂടി പ്രോസസ്സ് ചെയ്തു ആണ് ചുറ്റുപാടുകളെകുറിച്ച് അറിവ് നേടുന്നതെന്ന് മനസ്സിലാക്കേണ്ടി വരുന്നു.. അപ്പോള്‍, സ്വാഭാവികമായും, ഊര്‍ജ്ജത്തിന്റെയും എന്ട്രോപ്പിയുടെയും (wavelength * T = bentropy = 0.00300292) മാക്സിമതിലെക്ക് (Maximum) കാഴ്ച്ചയുടെ peak പരിണമിക്കാനുള്ള സാധ്യത വ്യക്തമാണ്. മുകളിലെ ഗ്രാഫില്‍ ഷെയിഡ് ചെയ്തിരിക്കുന്ന overlapping region ലെ peak ല്‍ ആയിരിക്കണം മസ്തിഷ്കത്തിന് താല്പര്യം, കാരണം കാഴ്ച അതിജീവനത്തിനായി, ചുറ്റുപാടുകളെ കുറിച്ച് അറിവ് ആര്ജ്ജിക്കുന്നതിനായി ഉപകരിക്കുന്നു. അപ്പോള്‍, സൂര്യപ്രകാശത്തിലെ ഈ മാക്സിമം, (both entropy and energy distribution overlapping region) എത്തുന്നത്‌ 510nm ല്‍ ആണെന്ന് കാണാം.
കാഴ്ചയും ഭൌമാന്തരീക്ഷവും
ഇതേ പ്രകാശം, ഭൌമാന്തരീക്ഷത്തില്‍ എത്തുമ്പോള്‍ ഈ peak കള്‍ യഥാക്രമം 547nm, 564nm എന്നിങ്ങനെ ആകുന്നു. രണ്ടാമത്തെ ഗ്രാഫ്, ഇത് കാണിക്കുന്നു. ഇവിടെ എന്ട്രോപിയുടെയും, എനെര്‍ജിയുടെയും overlapping region ന്റെ peak (shaded region as in curves above) ഉണ്ടാകുന്നതു 555nm ല്‍ ആണെന്ന് കാണാം. This is exactly matching with the photopic absorption peak. ഇവിടെ മനസ്സിലാകുന്ന മറ്റൊരു വസ്തുത, നമ്മുടെ കാഴ്ച പരിണാമത്തിന്റെ വഴികളില്‍, സൂര്യപ്രകാശത്തിലെ എനര്‍ജിയും, എന്ട്രോപിയും ആയി താദാത്മ്യം പ്രാപിക്കുകയായിരുന്നു എന്നതാണ്. ഒരു പക്ഷെ, സൂര്യന്റെ ഉപരിതല താപം 5800K ല്‍ നിന്നും വ്യത്യസ്തമായിരുന്നു എങ്കില്‍, നമ്മുടെ കാഴ്ച്ചയുടെ അനുഭവം എന്താകുമായിരുന്നു എന്ന് ചിന്തിക്കുന്നത് രസകരമാണ്. കൂടാതെ atmospheric composition of particles and molecules, അതില്‍ വ്യത്യാസം ഉണ്ടായിരുന്നു എങ്കില്‍ ദൃശ്യാനുഭം എന്തായിരിക്കുമായിരുന്നു എന്നുള്ളതും രസകരമാണ്. So in conclusion, the point is, “the evolution of the human eye is optimized to look not for the maximum intensity of radiation (Planck’s Spectrum) or for the maximum information, but for the optimal wavelength (555nm) at which to obtain information about the environment”.
ഒരു ചോദ്യം
ഒരു ചോദ്യം, പൊതുവില്‍ പറയാറുണ്ട്, ആകാശം നീലനിറമായി അനുഭവപ്പെടുന്നത് ദൃശ്യപ്രകാശത്തിലെ (VIBGYOR) വ്യത്യസ്ത തരംഗങ്ങളില്‍ wavelength കുറവുള്ളത് കൂടുതല്‍ scatter ചെയ്യുന്നത് കൊണ്ടാണ് എന്ന്. (Rayleigh scattering). അങ്ങനെയെങ്കില്‍ ആകാശം വയലറ്റ് നിറത്തില്‍ കാണപ്പെടെണ്ടതാണ്. (Blue comes after Violet and Indigo when we count from 400nm to 700nm, “V” , “I”, then blue). പക്ഷെ അത് സംഭവിക്കുന്നില്ല. ചോദ്യം സ്വാഭാവികമായും നമ്മള്‍ ഹൈസ്കൂള്‍ ക്ലാസുകളില്‍ ചോദിക്കെണ്ടിയിരുന്നതാണ്, പക്ഷെ, ഉണ്ടായില്ല. ഉത്തരം അത്ര ലളിതമല്ല.
ചോദ്യം ഇതാണ്, എന്തുകൊണ്ട് ആകാശം മനുഷ്യന് നീലനിറത്തില്‍ അനുഭവപ്പെടുന്നു, എന്തുകൊണ്ട് ആകാശം വയലറ്റ് നിറമല്ല? (Part of the explanation can be taken from radiative transfer and Planck’s spectrum)
