Глаз и солнце. (О свете, Солнце и зрении)
Шрифт:
Как же разбирается глаз в спектральном составе света? Пока мы убедились только, что глаз совершенно не чувствует большинства спектральных областей, а в видимой области одни лучи кажутся ему ярче, другие слабее. Подберем яркости красного и синего света примерно одинаковыми; мы знаем, что глаз безошибочно тем не менее отличит одни лучи от других. Значит, помимо величины ощущения глаз имеет и другую возможность разбираться в спектральном составе света. В солнечном спектре глаз различает семь радужных цветов и оттенки, число которых колеблется для разных наблюдателей до нескольких сотен. Для того чтобы точно выразить способность глаза к различению цветов, можно поступить следующим образом. Будем сравнивать два соседних участка непрерывного спектра и наблюдать, на сколько миллимикронов можно изменить одну из сравниваемых областей, прежде чем глаз заметит разницу в окраске. Эта наибольшая разность длин волн в миллимикронах и может характеризовать способность различения в данной спектральной области. На рисунке 37 дана кривая различительной способности глаза, полученная таким способом. По горизонтальной оси нанесены длины волн, а по вертикальной – наибольшие допустимые разности длин волн, при которых глаз еще не замечает разности в окраске. Кривая имеет очень сложный вид. Она все же дает некоторое обоснование нашему субъективному делению спектра на радужные цвета. Все минимумы и максимумы этой кривой можно рассматривать как своего
Рис. 37
Кривая спектральной различительной способности глаза
Способностью различать цвета обладают только колбочки; при сумеречном зрении палочками краски в спектре исчезают, все кажется белесоватым. По отсутствию колбочек в сетчатке глаз сов, ночных мышей и рыб можно думать, что они не обладают цветным зрением. Мир видится им как однотонный фотографический снимок – сочетание белого и черного. Человеческий глаз имеет два разных светочувствительных аппарата. Один подобен цветной фотографии, мало чувствителен и применяется днем, другой – сумеречный или ночной, похож на однотонную, но зато крайне чувствительную обыкновенную фотографию.
Способность глаза различать цвета не может, впрочем, соперничать со спектральным анализом. Если свет пространственно разложен на простые лучи, то по разности окраски глаз довольно резко отличает одни лучи от других. Но глаз нетрудно обмануть. Можно воспроизвести любой спектральный чистый цвет, смешав три других простых цвета, например красный, зеленый и фиолетовый, в разных пропорциях. На этом основаны простейшие цветные фотография и кино.
С окрашенного предмета делают три обыкновенных снимка через цветные стекла (светофильтры) – красное, зеленое и фиолетовое. Все три негатива имеют обычный вид; с них получают фотографические отпечатки на стекле (диапозитивы). Разница трех диапозитивов в том, что на один действовали преимущественно красные лучи, на другой – зеленые, на третий – фиолетовые; поэтому светотень распределяется на снимках по-разному. Диапозитивы окрашивают в цвет того стекла, через которое они были сняты. Если теперь навести световые пучки трех проекционных фонарей на одно место экрана и вставить в фонари прокрашенные диапозитивы, то красное, зеленое и фиолетовое изображения наложатся друг на друга, в результате чего на экране появится снятый предмет во всех натуральных цветах. Из трех цветов получатся все остальные. Если, например, одна часть снимаемого предмета была белой, то от нее в аппарат пройдут лучи через все три стекла. Поэтому при сложении цветов на экране в этом месте будут накладываться друг на друга красный, зеленый и фиолетовый цвета; вместе они дают для глаза белую окраску. Если часть предмета была желтой, то лучи от нее пройдут через красное и зеленое стекла, но не пройдут через синее; на синем диапозитиве в этом месте будет черное пятно, не пропускающее света. В итоге на экран попадут только красный и зеленый цвета, которые вместе для глаза создают впечатление желтого и т. д. Современная цветная фотография по своей технике много сложнее описанного простого приема. Однако во всех так называемых «аддитивных» методах мы имеем по существу тот же принцип. [9]
9
Цветная фотография правильно передает впечатление только «дневного» глаза. При слабом свете, например ночью при Луне, для нас окраска предметов становится существенно иной вследствие того, что кривая сумеречного зрения сдвинута в сторону коротких волн, и, кроме того, потому, что цветные восприятия при сумеречном зрении исчезают. Самая Луна кажется нам, например, светящейся зеленоватым светом, между тем распределение энергии в спектре лунного света почти то же, что и у Солнца. Если при помощи очень светосильной фотографической камеры снять обычными методами цветную фотографию с пейзажа, освещенного Луной, то мы, вероятно, получим обычную картину с привычной денной раскраской, между тем действительная зрительная картина совсем иная.
Для того чтобы получить любой цвет спектра, вообще говоря, нужны три простых цвета в разных пропорциях. Но эти же три цвета вместе могут создавать и окраски, которых в спектре нет, например белую и пурпуровую. Если подмешивать к простому цвету, положим красному, белый, то окраска остается красной, но она становится все более и более разбавленной, уменьшается ее насыщенность. Следовательно, из одного простого красного цвета можно получить бесконечное разнообразие красных цветов в разной насыщенности – от чисто красного до белого. Вообще любая окраска для глаза характеризуется тремя признаками: яркостью, цветностью и насыщенностью. Таким образом, разнообразие окрасок, видимых человеком, бесконечно больше, чем число цветов видимого спектра. Глаз с этой точки зрения – очень мало пригодный прибор для спектрального анализа света.
В военном деле для маскировки орудий, окопов и пр. от глаз неприятеля применяется окраска под цвет почвы, травы и т. д. Несмотря на значительную спектральную разницу света, отраженного от маскированного предмета и окружающего фона, человеческий глаз легко может быть введен в заблуждение; только спектроскоп в состоянии вскрыть обман. В животном мире маскировка, приспособление животного под цвет местности, чрезвычайно распространена; многие насекомые имеют зеленый цвет листьев и травы, зайцы меняют шерсть, приспособляясь зимой к белому снежному покрову, а летом к бурому тону почвы и т. д. Весьма значительно, что очень часто цвет маскированного животного не только на взгляд, для глаза, имеет окраску окружающего, но совпадает с нею и по спектральному составу. Эта совершенная защита заставляет подозревать, что, может быть, качества глаз некоторых животных, врагов тех, которые маскируются от их взгляда, несколько совершеннее, чем у человека.
Несовершенство глаза как спектроскопа вполне понятно. Физику удается разложить сложный свет на простой только пространственным разделением входящих в него простых лучей путем применения призм и других приборов. [10] Оценить спектральный состав без пространственного разделения лучей можно только очень грубо, по особенным действиям отдельных спектральных участков на вещество. Например, красные лучи на фотографическую пластинку действуют слабо, синие сильно. Приходится поистине поражаться тому, что каждый простой цвет вызывает в глазе свое особенное действие, независимо от энергии, хотя никакого пространственного распределения лучей нет. В
10
Самый простой спектроскоп можно было бы построить так. Нарисуем на белой бумаге радужный спектр красками, которые рассеивают только очень узкий участок длин волн, поглощая все остальное. Заметим, что приготовить такие краски очень трудно. Если осветить нарисованную указанным образом радужную полосу, например светом ртутной лампы, то мы увидим на бумаге грубое изображение ртутного спектра. Желтая линия ртути будет рассеиваться только желтым участком нарисованной полосы, зеленая – зеленым, синяя – синим и т. д. Свет ртути разложится на спектр. Подобный спектроскоп, конечно, всегда будет очень грубым; его преимущество в том, что не требуется никаких щелей и призм. Вместо нарисованного спектра, конечно, можно приготовить набор узких прозрачных окрашенных пленок, составляющих вместе спектр. Свет от источника, пущенный через такой спектральный набор пленок, будет давать на экране грубый спектр.
Рис. 38
Кривые трех «основных возбуждений» По оси ординат – чувствительность в относительных единицах
Обладание цветовым зрением необычайно повышает ценность зрительных восприятий. Цветовое зрение дает возможность очень быстро и по-новому различать предметы. Представим себе, что цветовых восприятий нет, что мы судим о различии предметов, как по обычной фотографии, только по количеству рассеиваемого света. При этом две поверхности, например желтая и зеленая, фотометрически равные, казались бы не различимыми, картина окружающего мира сразу обеднела бы подробностями. Кроме того, цветовые различия воспринимаются чрезвычайно быстро, в то время как для установления небольших отличий в яркости (тем более отдаленных друг от друга предметов) требуется длительное время и даже количественные измерения. Мы не говорим уже о чисто художественном элементе цветового восприятия.
Ввиду этих громадных преимуществ цветового восприятия очень полезно перенести цветность даже в такие области, где она, казалось бы, исключена по самому существу, например при изучении предметов в невидимых ультрафиолетовых или инфракрасных лучах. Между тем это вполне возможно, как это в микроскопии показал Е. М. Брумберг.
Предположим, что мы фотографируем под микроскопом некоторый препарат в ультрафиолетовых лучах. Сделаем три снимка в различных трех волнах, позаботившись о том, чтобы все они были одинакового масштаба. Фотографии, полученные в трех ультрафиолетовых волнах, будут вообще разные, так как различные волны поглощаются сильнее или слабее. Поступим теперь с тремя полученными «черными» фотографиями точно так же, как при цветном фотографировании. Спроецируем их через различные цветные стекла, например красное, зеленое и фиолетовое, при помощи фонарей на один и тот же экран и совместим три изображения. Мы получим цветную фотографию от объекта, снятого в невидимых лучах. Конечно, в данном случае – это искусственная фотография. Можно пользоваться различными цветными стеклами и получать различные цветные фотографии. Такие искусственные цветные фотографии с объектов, снятых в невидимых лучах, имеют очень большие практические преимущества. Они позволяют быстро открывать в предмете детали, оставшиеся ранее скрытыми, и производить качественный химический анализ.
Разумеется, тот же метод можно из области микроскопии перенести на все виды фотографирования в невидимых лучах. Экспериментатор при этом правильно подражает природе, в которой существует этот удивительный способ зрительных восприятий.
Наши довольно путаные странствования по различным областям знания подошли к концу. При помощи главным образом физики, астрономии и биологии мы наконец начали понимать истинный характер неоспоримого родства глаза и Солнца.
Эта связь почти такая же, как между фотографическим аппаратом и источником света, в лучах которого производится съемка. Конечно, в большинстве случаев снимают не источник света, а освещаемый им предмет, но предмет можно снять только потому, что он рассеивает лучи источника, и потому аппарат должен быть приспособлен к этим лучам. Его объектив должен их пропускать и давать в этих лучах правильное изображение, фотографическая пластинка должна обладать хорошей чувствительностью в нужной области спектра, в аппарате неизбежна диафрагма, позволяющая приспособляться к разным условиям освещения. В зависимости от величины освещенности нужно пользоваться пластинками разной чувствительности. Всем этим обладает глаз, приспособившийся к Солнцу как источнику света. Хрусталик глаза пропускает лучи Солнца, не вредные для организма, к сетчатке и дает в солнечных волнах хорошее изображение. Сетчатка глаза весьма чувствительна, но для дневных условий эта чувствительность очень сильно искусственно понижается, а для ночных снова возрастает. Глаз располагает диафрагмой, автоматически (в зависимости от освещенности) меняющейся в широких пределах. Спектральная чувствительность глаза попадает в максимум спектральной кривой энергии Солнца.
Все это результат приспособления глаза к солнечному свету на Земле.
Глаз нельзя понять, не зная Солнца. Наоборот, по свойствам Солнца можно в общих чертах теоретически наметить особенности глаза, какими они должны быть, не зная их наперед.
Вот почему глаз – солнечен, по словам поэта.
Приложение
Рене Декарт
Диоптрика [11]
11
Печатается по изданию: Декарт Р. Рассуждение о методе с приложениями. Диоптрика, Метеоры, Геометрия / Пер. Г. Г. Слюсарева, А. П. Юшкевича. М., 1953.