Глаз и Солнце Вавилов Сергей
Мы знаем, что впервые Ньютон ввел это важнейшее понятие о спектральном составе света. Опыт Ньютона с призматическим разложением солнечного света стал прообразом всех разнообразных спектроскопов, применявшихся и применяемых в науке. На рисунке 8, сделанном по чертежу самого Ньютона, ясна идея простейшего ньютоновского спектроскопа. Свет падает на узкую щель, за ней помещается линза так, что щель находится почти в фокусе последней. Из линзы пучок света падает на призму, здесь – преломляется и попадает в зрительную трубу, установленную «на бесконечность». В окуляр трубы видно изображение щели спектроскопа в каждом из цветов, из которых состоит исследуемый сложный цвет. Если бы щель была очень широкой, изображения накладывались бы друг на друга, спектр был бы нечистым, цвета в нем были несколько смешанными.
Если перед щелью спектроскопа поставить керосиновую или электрическую лампу, мы увидим в зрительную трубу непрерывное чередование цветов, от красного до фиолетового. Вместо глаза можно поместить фотографическую пластинку, тогда за фиолетовым концом обнаружится короткое ультрафиолетовое продолжение. Но и глаз и пластинка не пригодны для суждения о распределении энергии в спектре; они имеют свои узкие области особенной чувствительности и почти не отвечают на соседние участки. Глаз особенно чувствителен к зеленой части спектра, обыкновенная пластинка – к синей и фиолетовой. Чтобы судить об энергии, лучше всего воспользоваться тепловым прибором, в котором поглощаются полностью любые лучи, превращаясь в тепло (термоэлемент). К несчастью, такие приборы, даже при самом тщательном выполнении, чрезвычайно мало чувствительны по сравнению с глазом или фотографической пластинкой. На рисунке 9 показано распределение энергии, измеренное таким способом для некоторых источников света. По горизонтальной оси отложены длины волн в микронах (напоминаем, что 0,4 µ соответствуют фиолетовому краю видимого спектра, а 0,7 µ – красному краю). По вертикальный оси нанесена энергия в относительных единицах, так что для каждого источника энергия при 0,59 µ приравнена условно к 100. Кривая 2 дает распределение энергии в видимой части солнечного спектра, кривая 1 – в голубом свете неба; мы видим, что благодаря рассеянию максимум энергии перекочевал в синюю часть. Кривая 3 дает распределение энергии в электрической лампочке.
Рис. 9
Распределение энергии в спектре разных источников
Если накаливать различные твердые тела, например металлы, до одной и той же высокой температуры, то распределение энергии у них будет несколько разным. Различие вызывается неодинаковостью отражательной способности поверхности накаливаемого тела. Если поверхность сделать совершенно черной, т. е. поглощающей полностью все лучи и ничего не отражающей, то распределение энергии при одной и той же температуре будет одно и то же для любого тела.
В нагретом теле энергия движения молекул переходит в свет и, обратно, свет поглощается молекулами. Для каждой данной температуры устанавливается равновесие между поглощением и излучением света.
В главе о свете мы пришли к выводу, что излучение и поглощение света не может происходить иначе как целыми квантами h. Рассматривая равновесие между излучением и поглощением в теле с совершенно черной поверхностью и учитывая квантовый характер обоих процессов, можно довольно легко и вполне строго вывести закон распределения энергии света, испускаемого черным телом. Исторически решение задачи протекало как раз наоборот. В поисках правильного, соответствующего опыту, спектрального закона излучения черного тела М. Планк впервые убедился, что этот закон нельзя вывести иначе, как сделав предположение о квантовом характере излучения и поглощения света. На этом пути и произошло чреватое последствиями открытие квантовых законов природы.
На рисунке 10 изображен закон «черного излучения» для нескольких температур. По горизонтальной оси чертежа отложены длины световых волн в микронах (1 µ = 1000 mµ), по вертикальной – интенсивность, или энергия, в относительных единицах. Из рисунка видно, что по мере повышения температуры максимум спектральной кривой перемещается в сторону коротких волн. Это отвечает искони известному постепенному переходу накаливаемого металла от красного каления к белому. Теоретический закон распределения энергии в спектре черного тела подтверждается на опыте со всей доступной в наше время точностью. Частное следствие этого закона состоит в том, что произведение длины волны , соответствующей максимуму спектральной кривой, на абсолютную температуру (т. е. температуру Цельсия +273°) Т есть величина постоянная
maxT = K = 2897,18 микрон град.
Зная величину mах (в микронах), можно на основании этой формулы по спектру определить температуру тела.
Мы обратились к спектральному распределению света в связи с вопросом о качестве солнечного света. Солнце, несомненно, есть накаленное тело, поэтому его спектр должен быть близок к спектрам, получаемым на Земле от наших ламп и свечей. В плохой спектроскоп с широкой щелью солнечный спектр действительно кажется непрерывным. При грубом измерении распределения энергии в этом спектре получается кривая, похожая на одну из кривых для черного излучения (рис. 10). По виду этой кривой, а также из положения ее максимума можно вычислить приближенно температуру солнечной поверхности, если только предположить, что Солнце похоже на накаленное тело с черной поверхностью. Вычисление дает около 6000°. Установление более точной цифры имеет мало смысла, так как разные области солнечного диска различаются по накалу.
Рис. 10
Распределение энергии в спектре излучения черного тела при разных температурах
По оси абсцисс – длина волны в микронах, по оси ординат – интенсивность в относительных единицах. (Ввиду огромной разности в интенсивностях кривая для 6000° К на рис. 10 а не может быть полностью изображена в выбранном масштабе. На рис. 10 б приведена полная кривая для 6000° К в другом масштабе.)
Заштрихованная часть отмечает область видимого спектра
Наш глаз в смысле различения качества света много хуже самого плохого спектроскопа. Поэтому приведенные грубые результаты будут достаточны, когда в следующей главе придется сравнивать свойства солнечного света и глаза.
Физик и астроном, изучая Солнце, пользуются телескопами, совершенными спектроскопами, постоянно применяют вместо глаза фотографию. Им открываются такие детали солнечного света и его распределения по Солнцу, которые совершенно ускользают от невооруженного глаза.
В 1802 году Волластон заметил свойство солнечного спектра, почему-то ускользнувшее от внимания Ньютона. Спектр оказался испещренным черными тонкими линиями. Позднее эти темные пропасти на ярком фоне солнечного спектра подробно изучил Фраунгофер; их называют поэтому линиями Фраунгофера. В таблице 1 даны главные линии Фраунгофера для видимого спектра. Ими часто пользуются для указания той или иной области солнечного спектра. Они всегда остаются на своих местах и служат естественными отметками на спектре Солнца. Во втором столбце указаны длины волн в миллимикронах, в третьем – цветность спектральной области, в которой линии расположены.
Таблица 1
Мы сказали выше, что в плохой спектроскоп солнечный спектр кажется непрерывным, а кривая распределения энергии – правильной и плавной. Детальное изучение кривой распределения показывает, что она сплошь изъедена зазубринами как в видимой, так и в невидимой области (рис. 11). Эти зазубрины – следы линий Фраунгофера. В ультрафиолетовой области солнечный спектр довольно резко обрывается, причем граница колеблется в разное время дня и в разные времена года. Практически от Солнца до нас не доходят лучи с волнами короче 290 mµ. Более короткие волны поглощаются озоном, находящимся в верхних слоях атмосферы с максимумом около 30 км.
Рис. 11
Распределение энергии в спектре Солнца По оси абсцисс – длина волны в микронах, по оси ординат – интенсивность в относительных единицах
Как объяснить отсутствие некоторых цветов в солнечном спектре? Внесем в бесцветное спиртовое или газовое пламя поваренную соль. Пламя становится ярко-желтым; если посмотреть в спектроскоп (хороший), то сплошного спектра почти не видно, видны только рядом две желтые линии, длины волн которых в точности совпадают с фраунгоферовыми линиями D1 и D2. Точность совпадения такова, что она не может быть случайной. Разница в том, что в случае пламени получаются светящиеся линии на темном фоне, а от Солнца, наоборот, черные линии на блестящем фоне спектра.
В пламени соль распадается на хлор и натрий, светится натрий. Естественн предположить, что черные D-линии на Солнце вызываются также парами натрия. Действительно, если на пути непрерывного спектра, например от лампы накаливания, поместить сосуд с парами металлического натрия или газовое пламя, окрашенное солью, то области, соответствующие D-линиям, ослабляются, мы искусственно получим фраунгоферовы линии на фоне сплошного спектра. Стало быть, пары натрия способны и поглощать и излучать D-линии; осторожнее следует сказать, что в парах натрия громадное большинство атомов способно поглощать свет. Но, поглотив кванты света D-линий, атомы становятся «возбужденными», далее излучения не поглощают и, наоборот, через некоторое время отдают захваченную энергию в виде света. Иными словами, в накаленных парах соли есть нормальные, поглощающие атомы натрия и возбужденные, уже поглотившие и затем светящиеся.
В парах каждого элемента теми или иными способами можно возбудить свечение, состоящее из отдельных тонких спектральных линий. Число этих линий может быть очень большим. Это указывает на многообразие состояний, в которых атом может существовать «возбужденным».
Атомные линейные спектры, так же как и непрерывный спектр черного тела, оказались подчиняющимися квантовым законам. Это значит, в частности, что в них проявляется та же квантовая постоянная h. С другой стороны, линейные спектры есть выражение внутреннего строения атомов. Следовательно, строение атомов, подобно свету, подчиняется квантовым законам. Квантовые закономерности обнаруживаются также в спектрах и строении молекул. В весьма разреженном газообразном состоянии молекулы излучают «полосатые» спектры. При помощи спектральных приборов полосы удается разделить на множество очень тонких линий. Положение этих линий следует довольно простым квантовым законам. Мы убеждаемся еще раз, что у света и вещества есть важнейшие общие, родственные черты.
Вернемся к линейным спектрам. Итак, у каждого элемента есть свои оптические приметы – спектральные линии, положение которых можно точно измерять и которые трудно смешать с другими. Находясь на Земле, можно по спектрам изучать химию Солнца и других светил. Пары элементов в солнечной атмосфере, пропуская на Землю сплошной спектр солнечного ядра, оставляют на нем свои следы в виде фраунгоферовых линий. В таблице 1 в последующем столбце указано, каким элементам соответствуют линии.
Рис. 12
Сравнение среднего относительного числа атомов различных химических элементов на поверхности Солнца и в земной коре
Часть линий получается от поглощения солнечного света в земной атмосфере, что также отмечено в таблице. Большинство химических элементов, находящихся на Земле, обнаружено и на солнечной поверхности. Не найдены главным образом такие тяжелые элементы, как золото, ртуть, таллий, висмут, радий и пр.
На рисунке 12 сравнивается количество атомов различных химических элементов в земной коре (крестики) и на поверхности Солнца (кружки). Слева отложены логарифмы относительных количеств элементов; это значит, что, например, цифра 5 соответствует 105 атомов. Мы видим, что относительные количества некоторых атомов на поверхности Земли и Солнца расходятся очень сильно. Наоборот, почти совпадают такие элементы, как натрий, кремний, кальций, стронций. Отсутствие спектральных линий не может еще служить признаком отсутствия элемента. Линии могут лежать в ультрафиолетовой области, не доходящей до Земли. Ультрафиолетовый спектр Солнца закрыт от земного наблюдателя главным образом озоном, находящимся в земной атмосфере и сосредоточенным преимущественно в стратосфере на высотах 20–30 км.
Рис. 13
Одиннадцатилетний период солнечных пятен
На Солнце найдены не только атомы, но и простейшие молекулы, например ОН, CN, СаН, Н2 и т. д.
Размеры Солнца огромны: поперечник его составляет около 1 400 000 км, т. е. в 110 раз больше, чем у Земли, а объем в 1 305 000 раз больше объема Земли. Но Земля значительно плотнее; средняя плотность Солнца по сравнению с водой 1,406, а Земли – 5,6. Общее количество вещества на Солнце в 330 420 раз больше, чем на Земле. Если выразить количество солнечного вещества в тоннах, то получится мало вразумительное число 2 · 1027 (т. е. к двойке надо подписать 27 нулей); если бы Солнце теряло каждую секунду по миллиарду тонн, то для того чтобы «похудеть» наполовину, ему потребовалось бы 30 миллиардов лет!
Рис. 14
Периодичность солнечных пятен и параллелизм числа пятен и земных магнитных возмущений (верхняя кривая)
Это гигантское скопление вещества мы знаем только с поверхности. Внутренняя жизнь Солнца не известна, о ней можно только догадываться. Поверхность Солнца далеко не однородна: если мы говорим о распределении энергии солнечного света, о его температуре, то разумеем всегда грубую среднюю величину. Видимое путешествие Солнца по небу сопровождается также кажущимся изменением распределения энергии в его спектре. На восходе и на закате Солнце кажется красным, его лучам приходится преодолевать большую толщу атмосферы, чем в зените.
На поверхности Солнца, главным образом в экваториальной области, почти всегда имеются пятна. Пятна бывают иногда настолько большими, что их легко видеть глазом через закопченное стекло. В китайских летописях сохранилась запись о наблюдениях солнечных пятен невооруженным глазом еще в 28 году до н. э. В 1858 году на солнечном диске было видно пятно длиною в 230 000 км, т. е. в 18 раз больше диаметра Земли. Пятно занимало 1/36 общей видимой поверхности Солнца. Пятна имеют разнообразные формы с темным ядром в середине и более светлой каймой снаружи.
Спектроскопическое исследование показывает, что в области пятен находится главным образом водород и пары кальция. Вокруг пятен вращаются гигантские вихри, циклоны, состоящие иногда из потоков электрически заряженных частиц. Возникающие электрические токи сопровождаются огромными магнитными полями, вызывающими изменение (расщепление) спектральных линий. Эти спектральные изменения и позволяют обнаружить солнечные вихри.
Число пятен на Солнце изменяется периодически; длина периода около 11 лет. На рисунке 13 приведена кривая, доказывающая такую периодичность. По горизонтальной оси нанесены годы, по вертикальным – относительные числа пятен. Кривая охватывает громадный, почти двухвековой период, с 1749 по 1947 год. Периодичность выражена с полной очевидностью. Перед нами несомненный и очень важный для жизни Земли закон солнечной деятельности. На рисунке 14 повторена часть той же кривой, с 1836 по 1926 год, но здесь она составлена с кривой магнитных возмущений на Земле за те же годы. Верхняя кривая изображает магнитные возмущения на Земле за те же годы. Очевиден параллелизм этих кривых. Таким образом, помимо тяготения и света между Солнцем и Землей существуют и другие посредники. Теперь известно, что от Солнца к Земле постоянно летят потоки отрицательно заряженных частиц – электронов. Эти электрические потоки отклоняются магнитными полюсами Земли в полярные области и вызывают изменения магнетизма на Земле, отмеченные на рисунке 14. С другой стороны, проникая в верхние разреженные слои земной атмосферы, быстро летящие электроны заставляют светиться находящиеся там газы. Так объясняются северные сияния. Число северных сияний в полярных областях показывает такую же периодичность, как и солнечные пятна и магнитные возмущения на Земле.
Изменения в числе солнечных пятен существенно влияют на перемены погоды и, следовательно, на растительность и на все живое на Земле. Так, например, толщина годичных колец на срезе ствола сосны меняется с явным одиннадцатилетним периодом, следующим за периодичностью солнечных пятен. На рисунке 15 кривая солнечных пятен за 1830–1910 годы сравнивается со средней кривой роста деревьев для нескольких европейских стран. Параллелизм вполне ясен и здесь, хотя картина осложняется действием других причин, не зависящих от солнечных пятен. Таким образом, несомненно, что солнечные пятна составляют важный фактор в жизниземной поверхности.
Рис. 15
Сравнение кривой солнечных пятен (нижняя кривая) со средней кривой роста деревьев для нескольких европейских стран
Внешнюю оболочку, которую мы только и видим на Солнце в обычных условиях, называют фотосферой. Эта оболочка имеет зернистое, гранулярное строение, особенно ясное, если снимать солнечный диск в монохроматическом свете отдельной спектральной линии, например водорода или кальция. Эти гранулы, разнообразных форм и размеров, очевидно соответствуют облакам и парам газов, плавающим в фотосфере. Если смотреть с вершины горы вниз на облака, то можно видеть такую же зернистость. Отдельные места фотосферы светятся особенно ярко; это так называемые факелы, в которых наиболее сильны линии кальция.
Во время полных солнечных затмений имеется возможность рассмотреть оболочку Солнца в деталях – мы видим ее как бы в поперечном разрезе. Фотосфера окружена тонким слоем красного цвета, так называемой хромосферой; в нее проникают факелы из фотосферы. Толщина хромосферы около 10 000 км. Из нее вылетают колоссальные фонтаны светящегося газа, так называемые протуберанцы, высота которых достигает иногда сотен тысяч километров. Протуберанцы бывают главным образом двух типов – облакообразные и взрывные. В первых преимущественно светится водород, как и в самой хромосфере, во вторых, наряду с водородом, сильно выражены линии металлических паров. За последнее время астрономы получили в свои руки новые удобные способы наблюдения протуберанцев в любое время, а не только при затмениях. Тщательно закрывая в телескопе солнечный диск до краев темным диском, применяя безукоризненные стекла (в смысле отсутствия рассеивающих пузырьков и свилей) и пользуясь, кроме того, хорошими светофильтрами, пропускающими только узкую часть спектра, можно наблюдать солнечные протуберанцы вне затмений. Кроме того, за последнее десятилетие разработаны весьма совершенные светофильтры, выделяющие практически только одну узкую спектральную линию. В результате стала вполне возможной кинематографическая съемка протуберанцев, открывающая такие особенности солнечных взрывов, которые ранее оставались совершенно скрытыми.
Между фотосферой и хромосферой расположен очень тонкий, так называемый обращающий слой, в котором, по-видимому, и возникают главные линии Фраунгофера.
Во время полных солнечных затмений наблюдается невооруженным глазом поразительное явление так называемой короны, простирающейся на миллионы километров от края Солнца. Корона имеет, вообще говоря, лучеобразную структуру. Иногда лучи приблизительно равномерно окружают солнечный диск, в других случаях корона особенно вытянута в определенных направлениях. В сечении короны можно различить три спектра. Наиболее ярок непрерывный спектр внутреннего кольца короны. В этом спектре нет линий Фраунгофера; природа этой части короны до сих пор остается загадочной. Ее обычно приписывают рассеянию солнечных лучей в атмосфере электронов. Однако провести такое объяснение последовательно, до конца, согласуя со всеми фактами, еще не удалось. Второй спектр тоже непрерывный, но с фраунгоферовыми линиями; его приписывают отраженному свету фотосферы (отражать могут более холодные и удаленные от Солнца частицы пыли). Третий спектр – линейчатый и соответствует свечению атомов. Можно думать, что этот третий спектр возникает вследствие флуоресценции паров под влиянием солнечного света. На это указывают некоторые особенности поляризации этого спектра. Таким образом, Солнце на несколько миллионов километров окружено веществом в разреженном состоянии, частью в виде паров, частью в виде пыли. Эта пыль и пары могут отгоняться от Солнца электрическими силами и световым давлением. Впрочем, во многих отношениях солнечная корона остается еще непонятным явлением. Не исключена, например, возможность, что некоторая часть свечения короны вызывается своеобразным процессом «саморассеяния» лучей в результате пересечения интенсивных световых пучков вблизи Солнца. Современная теория света считается с возможностью такого процесса.
Наш мимолетный и крайне упрощенный очерк оптических явлений на поверхности Солнца мы закончим сведениями об энергии, излучаемой Солнцем. Эта энергия распределена по всему спектру и в невидимой и в видимой областях. На видимую область при этом падает около 40 % всей энергии.
Представим себе, что Земля лишена атмосферы. Основываясь на прямых измерениях энергии солнечных лучей, действительно падающих на земную поверхность, и учитывая влияние атмосферы, можно рассчитать, что при отвесном падении солнечных лучей поверхность Земли без атмосферы получила бы в минуту в среднем 2 калории, или 0,033 калории в секунду на 1 кв. см. На самом деле часть этой энергии поглощается атмосферой.
Зная эту цифру, так называемую солнечную постоянную, легко вычислить общее количество энергии, излучаемое Солнцем в одну секунду. Для этого достаточно сделать естественное предположение, что Солнце излучает одинаково во все стороны, вычислить поверхность шара с радиусом в 150 млн км (расстояние между Солнцем и Землей) и полученную площадь, выраженную в квадратных сантиметрах, помножить на солнечную постоянную, т. е. на 0,033 калории. При выполнении такого расчета приближенно получается 1026 калорий в секунду (т. е. число, первая цифра которого 1, а за нею следует 26 нулей). Это число и само по себе мало наглядно, да и самое понятие калории довольно отвлеченное. Поэтому поучительно будет сделать следующий пересчет.
Современная физика выяснила, что энергия всегда эквивалентна массе. Первым и важнейшим указанием на эту связь послужит факт давления света на тела, впервые открытый и измеренный П. Н. Лебедевым. Тонкими и исключительно трудными опытами Лебедев доказал, что свет, падая на зачерненную пластинку, полностью его поглощающую, давит на пластинку с силою, равной E/tc. Здесь Е – энергия света, поглощаемого за t секунд, а с – скорость света. Если пластинка не черная, а, наоборот, зеркальная, полностью отражающая свет, то давление на нее вдвое больше. Лебедев своими многолетними опытами показал далее, что свет оказывает давление не только на твердые тела, но и на газы. Это обстоятельство приобрело первостепенное значение для современной теории солнечных явлений.
По законам механики следует, что для того, чтобы остановить за время t какой угодно поток (водяной, световой), оказывающий давление, необходимо его «уравновесить» силой F, определяемой из соотношения Ft = mv, где тv – произведение массы т, приносимой потоком, на его скорость v, носящее название количества движения. Итак, сила давления потока F равна изменению количества движения за 1 секунду, т. е. F = mv/t. В случае светового потока v = c (скорость света). Приравняв найденное выражение для силы давления к величине, полученной согласно опытам Лебедева для давления света, найдем mc/t = E/tc, откуда m = E/c2. Полученная формула определяет массу света m, эквивалентную его энергии Е. Это чрезвычайно важное уравнение получено в приведенном выводе в итоге применения законов механики к оптическим измерениям Лебедева и на первый взгляд имеет ограниченное применение – только для света. Впервые Эйнштейн указал, что уравнение
mc2= E
универсально и должно быть справедливым для любых видов энергии. Заключение Эйнштейна получает все большее и широкое экспериментальное подтверждение по мере развития новой физики, в особенности физики атома и атомного ядра, и в настоящее время должно рассматриваться как одно из важнейших положений науки.
Пользуясь написанной формулой, произведем пересчет энергии, излучаемой Солнцем в секунду, на массу. Найденная выше цифра 1026 малых калорий в секунду оказывается равнозначащей примерно 5 млн тонн в секунду. Эта масса, громадная сама по себе, ничтожна для Солнца. Ранее мы нашли, что при отдаче миллиарда тонн в секунду Солнце уменьшилось бы по массе вдвое только за 30 млрд лет, стало быть, при отдаче 5 млн тонн в секунду Солнце может «исхудать» наполовину только за 6000 млрд лет.
Совершенно так же можно пересчитать энергию, получаемую в секунду всей Землей, на массу. Для этого нужно помнить, что одновременно освещается только половина земного шара и, кроме того, что солнечная постоянная относится к отвесным лучам. В результате пересчета получается совсем скромная и легко запоминаемая цифра – около 2 кг в секунду.
Эти пересчеты, делающие несколько осязаемой энергию, излучаемую Солнцем, имеют вместе с тем большой принципиальный смысл. Нас поражает масса Солнца и его практически неисчерпаемая энергия. Как собираются массы, подобные солнечной, и где источник их непрерывно излучаемой энергии? Массы стягиваются в солнечные центры, вероятно, всемирным тяготением. Но, по-видимому, солнечная масса почти предельная; бывают скопления вещества, раз в десять превышающие массу Солнца, но дальнейшего нарастания астрономы не знают. Чем же объясняется такой предел?
При стягивании масс всемирным тяготением возникают колоссальные давления внутри светил и развиваются огромные температуры, которые должны достигать десятков миллионов градусов. Накаленная не только добела, но до рентгеновского света внутренность звезды излучает (по закону Планка) наружу от центра чрезвычайно большие количества лучистой энергии. Этот внутренний свет давит от центра наружу на звездные массы. Таким образом, действию тяготения противодействует световое давление. Разумеется, это противодействие не может превзойти вызывающего его тяготения. Но к световому давлению добавляется центробежная сила, сопровождающая вращение звезды. Когда сумма светового давления и центробежных сил будет равна силе тяготения, дальнейшее нарастание массы светила должно прекратиться. Теоретический расчет показал, что, действительно, массы, порядка солнечной, должны быть во вселенной предельными. Таков частичный ответ астрофизики на вопрос о происхождении солнечной массы.
Но чем возмещается энергия, теряемая Солнцем в виде излучения? В свое время предполагалось, что поток метеоров, падающих на Солнце в количестве (по массе), равном примерно сотой части Земли, за год в состоянии дать нужную компенсацию. Указывалось также, что сжатие поперечника Солнца на 75 м в год должно сопровождаться развитием тепла, вполне равноценным лучистой отдаче. Таким образом, можно бы объяснить существование Солнца в его современном виде по крайней мере в течение 100 млн лет. Этот срок, однако, ничтожен; геология и астрофизика требуют по меньшей мере десятков миллиардов лет для Солнца. Такого длительного бытия Солнца не могут объяснить названные предположения.
Источники излучения Солнца и звезд надо искать по направлениям совсем иным – в запасах энергии, раскрытых новой физикой. Соотношение между энергией и массой, о котором мы только что говорили, указывает в самом общем виде, что любое скопление массы может рассматриваться как эквивалент энергии. Каждый грамм массы – это огромная энергия, величину которой можно вычислить, помножив массу на квадрат скорости света. Грамм массы оказывается равным 20 тыс. млрд калорий. Для получения такой же энергии пришлось бы сжечь 20 тыс. тонн угля.
Мы заговорили об угле как простом примере источника тепловой энергии. Полезно несколько вдуматься в этот пример. Кусок угля – это инертная масса, с механической точки зрения мало отличающаяся от камня. Кусок лежал сотни тысяч лет в инертном состоянии, пока наконец не попал в руки человека, сумевшего превратить скрытую энергию угля посредством горения в кислороде в доступную форму тепла. Это открытие было очень важным событием в истории человечества. Оно обозначало, как мы теперь знаем, освобождение скрытой химической энергии угля. Но современным людям пришлось стать свидетелями другого чрезвычайно важного события – начала овладения атомной энергией. Энергия атомного ядра, освобождаемая в соответствующих процессах, неизмеримо больше энергии сгорания угля. Однако и в том и в другом случае перед нами примеры, в сущности, одного и того же – использования скрытой в веществе энергии в доступной форме.
Какими же путями скрытая энергия, эквивалентная массе, может превращаться в доступные формы световой или тепловой энергии? С точки зрения представлений современной физики можно указать три таких пути. Путь первый – это полное превращение частиц вещества, например протонов, в свет. В предыдущей главе мы говорили о процессе превращения света в вещество, о переходе светового кванта в электрон и позитрон. Однако возможен и обратный процесс. Вероятность его в обычных условиях необычайно мала, но внутри Солнца при колоссальной плотности вещества, огромных давлениях и температурах, измеряемых миллионами градусов, подобные процессы могут происходить много чаще. В итоге этих процессов вся масса исчезающих частиц проявится в энергии света. Во избежание довольно часто встречающейся ошибки при этом важно заметить, что масса не исчезает, не превращается в энергию, как это иногда говорят; масса остается в виде массы получающихся фотонов, но только эквивалентная энергия из формы недоступной становится вполне доступной – световой.
Второй путь перехода скрытой энергии, эквивалентной массе, в энергию доступную состоит в распаде атомных ядер. Давний известный пример этого – распад атома радия. Однако этот естественный процесс происходит чрезвычайно редко, он не может служить источником значительных количеств энергии. Важнейшим шагом вперед в вопросе использования распада атомного ядра как источника энергии было открытие распада изотопа атома урана с атомным весом 235, входящего в количестве 0,7 % в обычный уран, под действием медленных нейтронов. Главное преимущество этого процесса состоит в том, что он имеет цепной характер. В результате распада ядра возникают снова нейтроны, в свою очередь вызывающие распад, и т. д. Получается цепь распадающихся ядер, причем каждое звено этой цепи сопровождается выделением значительной энергии. На основе этого явления построена вся техника освобождения атомной энергии сегодняшнего дня. Для Солнца этот процесс, по-видимому, не имеет значения; внутри Солнца, на основании весьма правдоподобных теоретических представлений, ядер тяжелых атомов урана и других нет.
Имеется, однако, третий путь превращения скрытой энергии, неразрывно связанной с массой, в доступные формы. Этот путь противоположен второму, он состоит не в распаде, а, наоборот, в усложнении, в синтезе атомных ядер. Это давно известно из сопоставления атомных весов. Например, атомный вес водорода равен 1,0080, а атомный вес гелия 4,003. Но гелий должен быть построен из четырех атомов водорода 4 1,0080 = 4,032. Сравнивая эту величину и указанный атомный вес гелия, мы получаем заметную разницу 4,032 – 4,003 = 0,029. Единственное объяснение этой разницы состоит в том, что при образовании ядра гелия из ядер водорода (протонов) исчезает значительная масса, она превращается в излучение или в другие формы энергии. Энергия эта громадна: при превращении 1 г водорода в гелий должна выделяться энергия в 5 млн раз большая, чем энергия, получаемая при сжатии 1 г водорода в присутствии 8 г кислорода в воду.
Есть довольно веские основания предполагать, что именно этот процесс образования ядер гелия из ядер водорода (протонов) и лежит в основе солнечной энергетики. Роль ускорителя, «катализатора», при этом, вероятно, играет ядро углеродов. Вопрос о действительном процессе, приводящем к превращению связанной энергии атомных ядер в излучение внутри Солнца, не может, однако, еще считаться окончательно решенным: ясно только, что имеется несколько возможностей для этого. Не приходится сомневаться, что получаемый нами на Земле свет Солнца есть результат работы огромной машины, освобождающей в течение многих миллиардов лет внутри Солнца атомную энергию.
В наших земных лабораториях мы не можем воссоздать тех огромных давлений и температур, которые должны быть внутри Солнца. Можно с несомненностью утверждать одно: излучение должно сопровождаться уменьшением солнечной массы. Солнце, так сказать, само себя сжигает, но не в обычном химическом смысе, когда продукты горения остаются бесполезной инертной массой; здесь масса переходит в мировое пространство в виде активной формы энергии – световой радиации; два литра воды, как мы видели, по массе равны свету, получаемому всей Землей от Солнца в секунду. Но мы хорошо знаем, что за счет двух килограммов света живет вся Земля, в то время как два литра воды это незаметная «мелочь».
Солнечные лучи несут с собой солнечную массу. Свет – не бестелесный посланник Солнца, а само Солнце, часть его, долетевшая до нас в совершенной, раскрытой, в энергетическом смысле, форме, в форме света.
Глаз
Глаз обязан бытием своим свету. Из безучастных животных вспомогательных органов свет вызывает орган, который стал бы ему подобным; так образуется глаз на свету, для света, чтобы внутренний свет встречал внешний.
Гёте
Лучи твои создают глаза всех тварей твоих.
«Малый гимн Атону»
Живое существо не имеет более верного и сильного защитника, чем глаз. Видеть – значит различать врага и друга и окружающее во всех подробностях. Другие органы чувств выполняют то же, но несравненно грубее и слабее. Осязание и чувство теплоты дают нам вести о внешнем мире только при непосредственном соприкосновении; слух и обоняние, извещающие издалека, недостаточно информируют о расстоянии, направлении и формах. Наши слова «очевидно», «поживем – увидим» равносильны тому, что видимость – достоверность. Современный физик убеждает других в реальности атомов тем, что мы наконец увидали пути отдельных атомов, а прежние противники существования атомов постоянно аргументировали тем, что атомов никто не видел. В этом смысле надо понимать изречение Анаксагора: «Зрение есть явление невидимого», невидимый мир становится реальностью, явлением посредством зрения.
Задачи идеального глаза как физического прибора ясны. От окружающих предметов исходит свет. Глазу дается направление лучей, энергия, спектральный состав и поляризация. От каждой точки предмета должно получиться свое, отдельное ощущение. Сочетание этих ощущений в мозговом центре должно воссоздать в идеале точное подобие излучающей поверхности со всеми ее оптическими особенностями. Важна пространственная правильность передачи, мозг должен получить верные сведения о форме, размерах и расстоянии. Далее мозг может корректировать полученные сведения в зависимости от потребности организма.
Рис. 16
Различные способы зрительного восприятия в животном мире а – одноклеточный организм Pouchetia cornuta; б – светочувствительные клетки, расположенные по всей коже дождевого червя; в – зрительный орган в виде углубления у ракушки Patella; г – глаз в виде камеры-обскуры у моллюсков; д – глаз скорпиона Euscorpins с концентрирующей линзой; е – глаз улитки Murex; ж – глаз, дающий изображения у головоногого Loliga; з – глаз позвоночного: с – кутикула; е – эпителий; l – линза; n – нервные волокна; p – зрачок; r – сетчатка; s – внутренняя прозрачная среда
Как увидим, глаз довольно близко подходит к решению этой идеальной задачи.
Но как мог возникнуть вспомогательный живой орган, решающий оптические трудности иногда с большим совершенством, чем это доступно современному оптику, вооруженному огромными физическими знаниями и техникой?
На вопросы такого рода ответила биология дарвиновской теорией развития. Глаз есть результат чрезвычайно длительного процесса «естественного отбора», итог изменений организма под действием внешней среды и борьбы за существование, за лучшую приспособленность к внешнему миру.
Могучий фактор наследственности гарантирует сохранение биологических свойств, если они соответствуют внешним условиям и увеличивают стойкость организма в борьбе за жизнь. Многообразные воздействия окружающего мира создают различия в отдельных особях, которые в некоторых случаях дают им преимущества перед остальными. Так происходит «естественный отбор», так выживает и размножается дальше только наиболее приспособленное к внешнему миру, наиболее сильное.
Рис. 17
Разрез глаз различных позвоночных
В бесчисленном разнообразии живого перед нами – всевозможные решения оптической задачи; все они не совершенны, но во всех немало целесообразного и, с точки зрения человека, «остроумного».
На рисунке 16 сопоставлены некоторые примеры различных способов решения задачи о глазе, о «приборе» для зрительного восприятия внешнего мира. На рисунке 16 а – пример «глаза» в одноклеточном организме. Перед чувствительным веществом помещается шаровидная линза l. Конечно, говорить об аппарате для получения изображения здесь еще нельзя. Ничтожные размеры линзы и ретины в этом случае предопределяют резкие дифракционные явления, а следовательно чрезвычайное искажение изображения. На рисунке 16 б представлены зрительные органы дождевого червя. Здесь нет глаза; у червя светочувствительна вся его поверхность; зрительные клетки, соединенные с нервными волокнами, распределены равномерно по всему телу; об изображении не может быть речи. Рисунок 16 в – пример примитивного решения оптической задачи, когда свет воспринимается зрительным углублением, получается нечто вроде уха; при помощи такого устройства можно приблизительно определить направление светящегося тела, но не больше. На рисунке 16 г мы видим более совершенное решение задачи – живую камеру-обскуру с маленьким отверстием р и внутренней светочувствительной полостью r у моллюска. Четыре последних примера на рисунке 16 д, е, ж, з относятся к последовательно совершенствующемуся разрешению оптической задачи с применением линзы. Сначала у скорпиона это еще очень грубый инструмент: вместо линзы шар, близко подходящий к чувствительному слою r. Это напоминает стеклянные шары, которыми, по преданию, в древности пользовались как зажигательным стеклом, или микроскоп Левенгука с «линзами» из капелек меда. На рисунке 16 е, ж, з перед нами постепенный переход к глазу, похожему на человеческий глаз, у улитки, головоногих, позвоночных. При этом у различных позвоночных задача решается вовсе не одинаково. На рисунке 17 мы видим примеры разрезов глаз нескольких позвоночных, ночных животных (опоссума, мыши, рыси) и дневных (кугуара, собаки, верблюда, человека, голубя, хамелеона). Без пояснений видно, что задача оптически решается с большими вариациями.
Очень интересны и поучительны с точки зрения приспособления живого организма к среде особенности глаз рыб, живущих на больших глубинах, куда почти не проникает солнечный свет. Казалось бы, что здесь рыбы должны быть просто безглазыми; надобности в глазах нет. В действительности это не так. Большинство глубоководных рыб имеет глаза, и притом (относительно) самые большие в мире позвоночных. Глаза их при этом (или в значительной мере поэтому), по-видимому, самые чувствительные в животном мире. Как же согласовать этот факт с отсутствием света на глубине? Ответ состоит прежде всего в том, что слабые следы солнечного света все же проникают и на значительные морские глубины. Преимущества же зрительного восприятия при отыскании пищи, размножении и борьбе за существование таковы, что много выгоднее повышать чувствительность глаза к свету, чем по «линии наименьшего сопротивления» – обрекать глаз на отмирание.
Но не только слабые следы света, проникающего в морские глубины, объясняют наличие глаз у существ, живущих там. Глубоководные морские рыбы сами способны производить свет, немного освещать окружающее и становиться видимыми для других зрячих животных. Поэтому у них развиваются люминесцирующие органы, помещающиеся около глаз или на других местах тела. На рисунке 18 изображены рыбы Photoblepharon palpebratus и Anomalops katoptron, у которых рядом с глазом расположена светящаяся ткань (выделенная на рисунке пунктиром). Свечение этой ткани происходит за счет окисления и служит маленьким маяком для рыб, освещая им путь и встречные тела. Такой аяк может быть, однако, и опасным для рыбы, обнаруживая ее врагу. Поэтому у обеих изображенных на рисунке рыб имеются приспособления вроде век для скрытия люминесцирующего маяка в случае надобности. У первой рыбы это производится выдвижением особого темного щитка, у второй сама светящаяся ткань может вдвигаться в особую защитную камеру (рис. 18 в). «Люминесцентные лампы» у глубоководных рыб совсем не редкость. Такими устройствами обладают более 90 % всех рыб, живущих на больших глубинах.
В дальнейшем нам придется говорить преимущественно о глазе человека. Это вытекает из основной темы нашей книги, посвященной связи глаза и Солнца; помимо того, только человеческий глаз изучен довольно глубоко, хотя многое и в нем еще неясно до сих пор.
Рис. 18
Рыбы со светоносными органами, связанными с глазами: а – Photoblepharon palpebratus; б – его голова в профиле и в разрезе, показывающих светопроизводящий орган и экран, его закрывающий; в – голова Anomalops katoptron, профиль и разрез. Видно светоносное приспособление и углубление, в которое оно может прятаться
Начнем с пространственной задачи. Как получается геометрическое подобие в глазе и как оценивается расстояние глазом? Свет несет с собой только один элемент пространственности – направление лучей, который и должен быть использован светочувствительным органом. Для живого зеленого листа свет не только вестник окружающих предметов, а источник его жизни. Лист тянется к Солнцу, солнечные лучи направляют лист. Листья разрастаются в солнечную сторону, располагаются на дереве так, чтобы не загораживать друг другу Солнца. Очень многие растения и цветы поворачиваются вслед за суточным движением Солнца. Подсолнечники, засеянные на больших площадях, все, как по команде, следуют за положением Солнца на небосводе. Такое стремление к свету, фототропизм (иногда отрицательный), проявляется помимо растений у многих бактерий, инфузорий и других простейших организмов. Эта реакция на свет, на направление его лучей и энергию может рассматриваться как примитивная форма зрения.
Рис. 19
Схема глаз некоторых насекомых
У некоторых насекомых имеются следующие приспособления для оценки направления лучей и получения зрительных образов (рис. 19). На сетчатой оболочке, образованной нервными окончаниями, расположены, как мозаика, мелкие конусы (наподобие сотов). Стенки этих конусов покрыты темным окрашенным веществом, поглощающим свет так же, как поглощает его черный матовый лак внутренних стенок зрительной трубы. На дно такой конусообразной ячейки могут попадать только лучи, ограниченные линиями В и О. На дно другой ячейки попадут лучи из другого участка. В результате на сетчатке получается мозаичное грубое изображение предмета, по которому насекомое может узнавать его формы.
Как в истории фотографического аппарата человек постепенно перешел от камеры-обскуры к прибору с объективной линзой, так и биологическая эволюция привела от мозаики трубочек к зрительному аппарату с линзой у позвоночных животных. На рисунке 20 дан разрез человеческого глаза. Глаз почти шарообразен, диаметр его у новорожденного около 16 мм, у взрослого – 24 мм; у лошади диаметр глазного яблока достигает 51 мм, у крысы – 6 мм. Снаружи глаз облечен толстой белой оболочкой (склерой); передняя часть ее прозрачна и выпукла (роговица), толщина ее около 0,5 мм. За ней следует передняя глазная камера, отделенная от задней камеры линзой – хрусталиком. Непосредственно перед хрусталиком расположена радужная оболочка с почти круглым отверстием, ограничивающим сечение пучка света, входящего в глаз. Толщина передней камеры и хрусталика около 3,6 мм. Передняя камера наполнена прозрачной жидкостью, задняя – прозрачным стекловидным веществом; показатель преломления обеих близок к показателю преломления воды (1,336).
Рис. 20
Разрез человеческого глаза
Внутренняя поверхность склеры покрыта сосудистой оболочкой, которую можно рассматривать как разветвление кровеносных сосудов, питающих глаз. На внутренней поверхности сосудистой оболочки расположена светочувствительная сетчатая оболочка (ретина). Она состоит из двух слоев: наружного, или пигментного, и внутреннего, или нервного, и представляет собой разрастание зрительного нерва.
Прозрачный хрусталик имеет слоистую структуру. Посредством мускулов у радужной оболочки выпуклость хрусталика может изменяться; наибольший показатель преломления в слоях хрусталика 1,41. Изображение в глазе получается на сетчатке так же, как на фотографической пластинке в камере. Способность изменять выпуклость хрусталика (аккомодация) дает возможность устанавливать глаз «на фокус» так, чтобы на сетчатке получалось отчетливое изображение. В детском возрасте удается видеть отчетливо предмет, начиная с расстояния в 7–10 см от глаза. Нормальный глаз взрослого человека начинает видеть отчетливо только примерно с 14 см. В старости обыкновенно аккомодационная способность чрезвычайно слабеет.
Недостатки глаза (близорукость и дальнозоркость) можно исправлять искусственными стеклянными линзами – очками, рассеивающими или собирательными. Правильность изображения на сетчатке далека от совершенства. Верная передача достигается только в том случае, если изображение невелико и лежит на оси глаза. Впрочем, следует заметить, что так называемая сферическая аберрация в человеческом глазе довольно хорошо исправлена. Этому способствует особенно то обстоятельство, что хрусталик плотнее в середине, чем во внешних слоях.
Улучшению качества изображения помогает сужение входного отверстия, определяемого радужной оболочкой. Это легко может быть проверено людьми, страдающими дальнозоркостью. При ярком освещении они более четко и ясно видят предметы на небольшом расстоянии (25–40 см). При этом, как известно, отверстие глазного зрачка суживается и, следовательно, уменьшается угол раскрытия лучей, попадающих в глаз. С другой стороны, дальнозоркий человек может прочесть сравнительно мелкую печать на небольшом расстоянии без очков, если будет смотреть сквозь узкое отверстие, оставляемое рукой, сложенной в кулак и прижатой к глазу.
Указанные недостатки в известной мере компенсируются возможностью легкого поворота глаза в глазной впадине. Глаз можно поворачивать больше чем на 80° в вертикальном и горизонтальном направлениях, быстро обегая таким образом все точки рассматриваемого большого предмета.
Приблизительно плоская картина на сетчатке дает не только представление о его форме, но и о размерах и расстоянии, даже если смотреть одним глазом. Объяснить это можно тем, что в наших предыдущих наблюдениях мы оцениваем расстояния и размеры окружающих предметов, смотря двумя глазами, и к ним относим данное наблюдение одним глазом; определить расстояние и размеры позволяют прежний опыт и привычка. Имеет значение, несомненно, также аккомодация хрусталика, степень натяжения которого мы бессознательно чувствуем и по ней оцениваем пространство. Существенную роль надо также приписать бессознательному движению глаза. За короткий промежуток времени получается ряд картин предмета с разных точек зрения, сопоставление которых дает возможность произвести пространственную оценку.
Рис. 21
Зрение двумя глазами
Достоверность пространственных впечатлений при зрении одним глазом, однако, невелика. Возьмите в обе руки по карандашу, закройте один глаз и попробуйте свести карандаши остриями встык. В большинстве случаев это сразу не удается. Наоборот, смотря обоими глазами, мы никогда не ошибемся в этом опыте. Направляя оси обоих глаз на данный предмет, мы устанавливаем их под определенным углом (рис. 21). Инстинктивная оценка этого угла и служит мерой расстояния в довольно широких пределах. Очень важно принять во внимание, что в наших субъективных зрительных впечатлениях и образах громадную роль имеет ясно нами не сознаваемая работа мозга, вносящая очень большие коррективы в непосредственное физическое изображение на сетчатке. Одно из наиболее существенных проявлений этого вмешательства мозга – выпрямление изображений на сетчатках глаз; в действительности эти изображения, получаемые при помощи хрусталика, обратные. Корректирующая роль мозга очень велика при пространственных восприятиях. На рисунке 22 наверху даны линейные элементы простейшего графического изображения куба, внизу из этих элементов построен куб, и мы сразу получаем пространственную картину. Это, конечно, результат работы мозга. На этом основана возможность правильных перспективных изображений в живописи. Для того чтобы предмет казался нам более удаленным, его надо написать в соответственно уменьшенном размере. Если один человек предполагается стоящим вдвое дальше от воображаемого зрителя картины, то он должен быть написан вдвое меньшим. В то же время изображенные таким образом два человека субъективно кажутся нам одинакового роста, перспективное уменьшение дает лишь возможность воспринимать его находящимся на расстоянии вдвое большем.
Рис. 22
Перспективное восприятие. 12 линий на верху рисунка кажутся лежащими в одной плоскости. Составленный их параллельным перемещением рисунок куба внизу воспринимается как пространственный образ
На рисунке 23 представлены результаты опытов Гальвея и Боринга по вопросу о зависимости видимого размера предмета от его расстояния. Предметом служил светящийся диск, угловые размеры которого все время оставались постоянными, расстояние же от наблюдателя менялось в пределах от 3 до 36 м. Видимый размер сравнивался с другим светящимся диском, находившимся на постоянном расстоянии в 3 м. Диаметр этого диска менялся измеримым образом так, чтобы он как раз равнялся первому, наблюдаемому диску. Если бы мозг не вносил никаких автоматических поправок в размеры изображения на сетчатке, то, ввиду того что угловые размеры первого диска оставались всегда постоянными, следовало бы ожидать, что на рисунке 23, на котором по оси абсцисс отложено расстояние в метрах, а по ординатам – воспринимаемый нами размер в сантиметрах, мы получим неизменную прямую, параллельную оси абсцисс (она нанесена штриховой линией). В действительности получается совсем иное. При наблюдении последовательно сразу двумя глазами, одним глазом и через длинную тонкую трубку получаются наклонные прямые. Этот наклон уменьшается по мере устранения видимости окружающих предметов.
Описанный опыт в количественной форме соответствует всем хорошо известному факту, что размеры предметов, находящихся недалеко от нас, несмотря на их движения и удаление, кажутся не меняющимися по размеру. Только в отношении очень далеких фигур и предметов мы ясно замечаем, что они становятся маленькими. Это легко видно, если смотреть вниз с высокой башни. Очень большое значение для внесения указанных мозговых поправок в физическое изображение предметов на сетчатке имеет окружающее. Если его устранить, то мы начинаем приближаться к чисто физическому результату, как видно из рисунка. Таким образом, воспринимаемое мозгом изображение не есть простое физическое изображение, оно осложнено не сознаваемыми нами коррективами мозга. Это обстоятельство имеет, конечно, большой биологический смысл. Живое существо нуждается в правильном представлении об окружающих предметах, а не в правильных оптических изображениях.
Рис. 23
Опыт Гальвея и Боринга
Но мозговое корректирование может приводить и к ошибкам и обманам зрения. Автору этой книги много раз приходилось переживать весьма грубые пространственные ошибки. Один раз маленькая красная сигнальная жестяная пластинка, висевшая вблизи на трамвайных проводах, показалась красным флагом огромных размеров по той причине, что красная пластинка была мысленно ошибочно отнесена к шпилю на удаленном доме в конце улицы. Другой раз в течение короткого мгновения кошка была видна величиной с корову; показалось, будто эта кошка идет по удаленному забору; на самом деле она шествовала по крыше, около окна, через которое ее было видно. Получилась приблизительно двадцатикратная ошибка в оценке расстояния.
Солнце и месяц на горизонте кажутся огромными, в зените – маленькими. Перед нами снова, несомненно, зрительная ошибка, притом свойственная всем людям.[7] Причина этой ошибки до сего времени не совсем ясна. Возможно такое объяснение. Оценивая свечение неба, мы, естественно, бессознательно за границу атмосферы принимаем то место атмосферы, которое шлет в наш глаз еще заметный рассеянный свет, и к этой границе относим предметы, находящиеся на небе. На закате и на восходе западный или восточный край атмосферы светится больше всего; предел атмосферы, еще посылающей нам свет, значительно отодвигается, небосвод делается глубже, и к этому удаленному слою мы относим светило. Происходит такая же ошибка, как и в рассказанных случаях с флагом и кошкой.
Психологические причины вносят ошибки не только в пространственные образы, но и для плоских фигур. На рисунке 24 проведены две пары параллельных линий, обрамленных соответственной штриховкой. Обе пары кажутся нам переломленными и изогнутыми. При этом даже сосредоточенное внимание не устраняет иллюзии; приходится приложить линейку, и только тогда истина делается несомненной.
На рисунке 25 начерчен правильный квадрат. Штриховка в одном из углов создает резкое впечатление перекошенности квадрата. Одна из причин зрительных обманов состоит в том, что пестрота штриховки заставляет наш глаз невольно двигаться, перебегая от штриха к штриху. Если осветить рисунки мгновенным светом электрической искры, то обман (по крайней мере для некоторых случаев) пропадает: глаз за время свечения искры не успевает заметно передвинуться.
Итак, пространственная задача далеко не совершенно разрешается человеческими глазами и мозгом.
Перейдем к тому, как оцениваются глазом энергия и спектральный состав света. Для этого следует остановиться на строении сетчатой оболочки, в которой эта оценка производится. На рисунке 26 дана схема поперечного разреза сетчатки. Во внешнем слое 1, непосредственно примыкающем к сосудистой оболочке, расположены клетки, окрашенные черным пигментом. Затем идут основные элементы зрительного восприятия 2, называемые по внешнему виду палочками и колбочками. Слои 3–5 соответствуют нервным волокнам, подходящим к палочкам и колбочкам. За этими слоями расположены так называемые зернистые слои, также связанные нервными волокнами. Слой 8 – это ганглиозные клетки, каждая из которых соединена с нервными волокнами, расположенными в слое 9. Слой 10 – внутренняя ограничивающая оболочка. Каждое нервное волокно оканчивается либо колбочкой, либо группой палочек. Мозаика этих клеточек на поверхности сетчатки далеко не равномерна. Число колбочек и палочек очень велико (около 7 млн колбочек и более 100 млн палочек). На рисунке 27 видно распределение колбочек и палочек по дну глаза. По оси абсцисс отложено угловое расстояние соответственного места сетчатки от «центральной ямки» (fovea centralis), по оси ординат – число колбочек К или палочек П на один квадратный миллиметр. Кривые прерываются «слепым пятном», о котором речь будет дальше. Из рисунка видно, что в середине сетчатки преобладают колбочки, к периферии идет преобладание палочек. Палочки окрашены красным зрительным пурпуром, который быстро выцветает под действием света. Длина палочек около 0,06 мм, колбочек – около 0,035 мм. Диаметр палочек составляет около 2 µ, колбочек около 6 µ. В центре сетчатки находится так называемое «желтое пятно» овальной формы (наибольшая длина 2 мм, наименьшая 0,8 мм). В центре этого пятна преобладают колбочки; палочки совершенно исчезают в «центральном углублении»; это место наиболее отчетливого, резкого зрения. В некоторых местах сетчатки отсутствуют и колбочки и палочки. Если закрыть левый глаз и фиксировать правый на крест (рис. 28) то при расстоянии глаза примерно в 20 см от книги черный диск справа перестанет быть видным: его изображение попадает на место входа зрительного нерва, где нет светочувствительных элементов (слепое пятно).
Рис. 24
Обман зрения
Рис. 25
Обман зрения
Рис. 26
Схема разреза сетчатки человеческого глаза. Стрелка показывает направление света, падающего на сетчатку
Рис. 27
Распределение палочек и колбочек на сетчатке по Остербергу
Рис. 28
Рисунок Мариотта для нахождения слепого пятна
Насколько проста оптическая часть глаза, настолько сложен его воспринимающий механизм. Мы не только не знаем физиологического смысла отдельных элементов ретины, но не в состоянии сказать, насколько целесообразно пространственное распределение светочувствительных клеток, к чему нужно слепое пятно и т. д. Перед нами не искусственный физический прибор, а живой орган, в котором достоинства перемешаны с недостатками, но все неразрывно связано в живое целое.
Займемся теперь вопросом об оценке энергии света, приходящего в глаз. Этот вопрос трудно отделить от вопроса о цветности; глаз получает зрительное впечатление только от лучей с длинами волн примерно от 400 до 750 mµ. Только при сравнительно мощном излучении удается видеть ультрафиолетовые лучи в интервале приблизительно от 400 до 300 mµ и инфракрасные от 750 до 950 mµ, причем видимость в этих областях спектра сильно зависит от возраста и колеблется в широких пределах для разных наблюдателей. Ограничимся только этим участком длин волн. В предыдущей главе мы видели, что энергия солнечного света, падающая в секунду на 1 кв. см поверхности земной атмосферы, равна 0,033 калории. На долю видимых лучей приходится около 40 % этой величины. Наибольшее отверстие в радужной оболочке не превышает 0,7 кв. см. Из этих цифр нетрудно видеть, что максимальная энергия видимого солнечного света, которая может проникнуть в глаз за секунду, не превышает 0,01 калории. Разумеется, собрав солнечный свет или свет вольтовой дуги зеркалом или линзой, можно в тысячи раз превысить этот предел. В природе таких зеркал и линз нет, факты такого рода повлиять на эволюцию глаза не могли, поэтому здесь их можно оставить в стороне. Если бы энергия в 0,01 калории в секунду была сосредоточена в области зеленого цвета с длиной волны 556 mµ (максимум чувствительности глаза), то глаз получил бы зрительное впечатление, как от лампы в 200 000 свечей, поставленной на расстоянии 1 м от глаза. Таков верхний предел. С другой стороны, глазу надо уметь различать ничтожный свет темной ночи, когда сила света не достигает и миллионных долей одной свечи. Глаз должен приспособиться к любым интенсивностям в этом огромном интервале, чтобы обслуживать живое существо на Земле.
Рис. 29
Изменение диаметра зрачка глаза при увеличении яркости
При работе фотографическим аппаратом есть три способа приспособиться к изменению яркости света. Во-первых, можно в широких пределах менять «выдержку» снимка, от тысячных долей секунды до часов и дней. Во-вторых, можно менять отверстие объектива, расширяя или уменьшая так называемую диафрагму. Наконец, чувствительность пластинок может быть очень различной; соответственно освещенности можно применять те или иные пластинки.
Для глаза первый способ недопустим, он должен давать всегда «моментальные снимки». Второй способ глазом применяется. Отверстие радужной оболочки автоматически, в зависимости от яркости света, может сжиматься или расширяться. Диаметр наибольшего отверстия в среднем около 8 мм, наименьшего – около 2 мм. Площадь отверстия может, следовательно, изменяться раз в шестнадцать. На рисунке 29 приводится ход изменения диаметра зрачка по мере увеличения яркости, по оси абсцисс отложен логарифм яркости, по ординатам – диаметр зрачка. На рисунке 30 представлено изменение диаметра зрачка d со временем после перехода из хорошо освещенного помещения в темноту. Из этих рисунков ясно, что изменение диаметра зрачка совершенно недостаточно для компенсации изменений яркости, с которыми приходится иметь дело глазу. Природа привлекает третий, наиболее радикальный способ – изменение чувствительности сетчатки. К темноте глаза начинают приспособляться (адаптация), постепенно чувствительность сетчатки нарастает. При этом элементы сетчатки – колбочки и палочки – ведут себя очень различно. В колбочках чувствительность возрастает только в несколько десятков раз по сравнению с чувствительностью на дневном свету. В палочках чувствительность медленно (в течение часа и более) увеличивается в полной темноте в сотни тысяч раз, достигая некоторого предела. Предельная величина порога зрительного раздражения выражается для света с длиной волны около 500 mµ цифрой около 5·10–18 калории в секунду на 1 кв. см. Однако эта величина различна для разных людей и зависит от условий опыта (маленький и большой источники света, прерывное или постоянное освещение). Кроме того, для достижения такой чувствительности глаза необходимо, чтобы изображение источника на сетчатке получалось не в ее центре, а на периферии, где чувствительность больше. Для этого при наблюдении приходится скосить глаз, смотря на источник «боком».
Стеариновая свеча на расстоянии 1 м от глаза посылает около двух десятимиллионных (2·10–7) калории в секунду на 1 кв. см в видимых лучах. Для того чтобы от нее доходило до глаза 5·10–18 калории, ее надо бы удалить от глаза на 200 км. Иными словами, можно сказать, что порог зрительного раздражения соответствует энергии видимого света, падающего на 1 кв. см в секунду от стеариновой свечи, удаленной от глаза на 200 км. При этом, конечно, предполагается, что атмосфера света не поглощает, что на самом деле неверно.
Изумительная приспособленность глаза к изменениям освещенности особенно стала выясняться за последние годы. На схеме поперечного разреза сетчатки (см. рис. 26) видно, что во внешнем слое находятся зерна черного пигмента. Какую роль он выполняет? Несомненно, что пигмент ослабляет свет, доходящий до палочек и колбочек, и, стало быть, защищает их от слишком яркого света. Но, очевидно, такая защита становится ненужной и, наоборот, вредной в ночных условиях, при очень слабых освещенностях. Исследование у некоторых видов животных (рыбы, амфибии) показало, что при слабом свете черный пигмент из верхнего слоя сетчатки постепенно опускается на ее дно и таким образом перестает мешать доступу света. Самый процесс постепенной адаптации глаза к темноте мог бы объясняться медленным переходом черного пигмента на дно сетчатки. Однако у других животных (например, обезьян), по-видимому, миграции пигмента не происходит. Впрочем, этот вопрос еще не окончательно выяснен.
Рис. 30
Изменение диаметра зрачка глаза со временем после перехода из хорошо освещенного помещения в темноту
Мы говорили выше, что отверстие радужной оболочки сжимается при возрастании освещенности, но при некоторых болезнях, а также при впрыскивании различных веществ в организм сокращение зрачка прекращается, он остается широко раскрытым при любом освещении. Опасность ослепления при этом, однако, оказывается предотвращенной. Световые лучи, попадающие на самый край широко раскрытого зрачка в условиях довольно яркого освещения, вызывают на сетчатке зрительное раздражение, приблизительно в пять раз меньшее, чем при падении на центр зрачка. Каким образом это достигается, до сих пор неизвестно, но во всяком случае несомненно, что при ярком освещении даже при вполне открытом зрачке действует главным образом только центральная часть отверстия; свет, проходящий через краевые области зрачка, действует на сетчатку очень слабо; наоборот, при переходе к слабым освещенностям все части зрачка одинаково действенны и, следовательно, широкое раскрытие его в темноте сильно увеличивает световое раздражение.
Естественно предположить, что при этом большую роль играет черный пигмент, перестающий загораживать сетчатку при слабых освещенностях. Однако, как упоминалось, миграция пигмента у человека еще не доказана.
В главе о свете мы встретились с общим законом действия света: свет может поглощаться и действовать только целыми квантами. Иными словами, нельзя построить прибор, который отвечал бы на энергию меньше кванта, по той простой причине, что свет обнаруживается только по его действиям. Энергия 5·10–18 калорий в секунду (для длины волны 500 mµ) соответствует 52 квантам. Эти 52 кванта «растянуты» на секунду. Отсюда ясно, что мгновенно глаз в состоянии зрительно почувствовать очень небольшое число квантов, т. е. близок по своим свойствам к идеальному прибору в смысле чувствительности.
Пользуясь этим, можно глазом обнаружить прерывное, квантовое строение света. Представим себе, что мы смотрим на маленькое, слабо светящееся пятнышко А (рис. 31), яркость которого можно по произволу ослаблять. Предположим, что яркость источника ослаблена до такой степени, что от него в глаз попадает в секунду только небольшое число квантов. Кванты не могут следовать один за другим регулярно, через одинаковые промежутки времени; они будут лететь беспорядочно, иногда в большем числе, иногда в меньшем. Разумеется, и яркий источник света излучает беспорядочный поток квантов, но в этом случае число квантов огромно и процентные случайные отклонения от среднего будут практически незаметными. Точно так же, например, процентные колебания в числе новорожденных за год в большом городе ничтожны, и это число статистик предсказывает с большой точностью, но число рождений в небольшом доме того же города за год будет колебаться в чрезвычайно широких пределах, и предсказания статистика в этом случае, несомненно, окажутся ошибочными.
Рис. 31
Схема наблюдений квантовых флуктуаций света
Таким образом, по законам статистики (если только верна теория квантов) следует ожидать, что при ослаблении источника света, когда за секунду в глаз будет попадать небольшое число квантов, должны возникнуть резкие колебания яркости источника. Если число квантов, попадающих в глаз, будет меньше числа, соответствующего порогу зрительного раздражения, то глаз не ощутит света; наоборот, если число квантов превышает порожное значение, свет будет виден. Следовательно, при постепенном понижении яркости источника должен наступить такой момент, когда источник для глаза должен превратиться из постоянного в мигающий.
Однако в такой простой форме опыт осуществить нельзя и по двум причинам. Во-первых, глазное яблоко, как мы говорили, чрезвычайно подвижно, вследствие чего колебания яркости получаются и при больших интенсивностях. Поэтому глаз следует фиксировать. Это достигается тем, что в стороне от светящейся точки А помещается более яркая (обыкновенно красная) светящаяся точка О, которая и фиксируется глазом. Таким образом, в центре сетчатки получается изображение этой фиксационной точки, а изображение источника А получается в стороне, на постоянном расстоянии от центра.
Далее, глаз обладает свойством сохранять зрительное впечатление; это свойство дало, например, возможность осуществить кино. Но оно же, конечно, будет мешать восприятию быстрых колебаний интенсивности источника света; эти колебания будут сливаться, размываться и усредняться для глаза.
Чтобы обойти это затруднение, можно поступить так. Между глазом и источником помещается диск с одним отверстием (см. рис. 31). Диск совершает один оборот в секунду, оставляя источник открытым для глаза только во время прохождения отверстия (например, в течение одной десятой секунды). При такой установке глаз видит только короткие вспышки через каждую секунду. Если число квантов во время каждой вспышки будет одно и то же и больше порожного значения, то каждому прохождению отверстия будет соответствовать вспышка. Если же число квантов, излучаемое за время прохождения отверстия, подвергается резким статистическим колебаниям, то, очевидно, не всякому прохождению отверстия будет соответствовать видимая вспышка.
Опыт подтвердил это ожидание. Действительно, при больших интенсивностях фиксированный глаз при каждом прохождении отверстия видит вспышку, но при постепенном ослаблении яркости начинают наблюдаться пропуски, которые становятся тем чаще, чем слабее яркость.
Считая число пропусков и вспышек, по законам статистики можно определить среднее число квантов, излучаемое при таких условиях за одну вспышку. Глаз, таким образом, действительно «воочию» позволяет убедиться в квантовой, прерывной структуре света.
Замечательно, что таким способом определяется не чувствительность глаза как целого, а чувствительность только последних клеток (палочек), ответственных за зрительное возбуждение. Найденная до сих пор у разных наблюдателей предельная чувствительность колеблется в широких пределах от двух до нескольких десятков квантов-фотонов. Отдельные кванты стали в буквальном смысле слова видимыми.
Описанные опыты, помимо своего очевидного значения для теории света и глаза, вместе с тем дают исследователю новый способ изучения сетчатки глаза у здоровых и больных людей без хирургического вмешательства, в нормальном состоянии глаза.
Мы говорили до сих пор о крайних значениях энергии, с которыми приходится иметь дело глазу на Земле. Но прямой свет Солнца глаз выносит с трудом, а яркости, лежащие на пороге зрительного раздражения, замечает с крайним напряжением. После продолжительного смотрения на Солнце нас долго сопровождает отпечаток солнечного диска на сетчатке: взглянув на белую стену, мы видим на ней темный цветной диск – это утомленное место сетчатки. Такие же длительные утомления получаются и от обыкновенных ламп, если они слишком ярки. Иногда, например, после долгой работы с незакрытой вольтовой дугой это утомление может длиться часами и в крайнем случае приводит к ослеплению. Если долго смотреть на Солнце или яркую лампу, то и при закрытых глазах мы отчетливо видим образ светящегося тела, окраска которого постепенно изменяется, а интенсивность постепенно слабеет (последовательные образы). Последовательные образы (отрицательные и положительные) – верный признак ненормально большой яркости изображения на сетчатке. Иногда отпечаток, виденный при ярком освещении, остается на сетчатке почти целые сутки. Его удается видеть особенно ясно ночью или рано утром при закрытых глазах. Сетчатка в этом случае действует как фотографическая пластинка. До сих пор неизвестно, за счет каких изменений в сетчатке это происходит. Очевидно, существует некоторая яркость, наиболее приятная для глаза, наблюдаемая без напряжения и переносимая без утомления.
На рисунке 32 графически изображены результаты следующего опыта: испытуемого заставляли читать развернутую книгу на расстоянии 25 см; освещенность книги менялась; при этом просили указать, сколько слов прочитывается в минуту при той или иной освещенности. На рисунке по горизонтальной оси отложена освещенность таким образом, что, например, цифра 40 соответствует лампе в 40 свечей, поставленной на расстояние одного метра от книги, по вертикальной оси отложено число прочитанных слов в минуту. Верхняя кривая а соответствует нормальному глазу, нижняя б – глазу, испорченному долгой работой при искусственном освещении. Мы видим, что сначала при возрастании освещенности продуктивность чтения быстро растет, но при 100 люксах[8] возрастание прекращается. Это – очень важное обстоятельство, которое приходится принимать во внимание при освещении рабочих помещений, комнаты и пр.
Многочисленные опыты, произведенные за последние десятилетия светотехниками и врачами, показывают, что производительность различных видов труда заметно повышается, если увеличивать освещенность до 300 и даже 500 люксов. При этом заметного утомления глаза не наблюдается. Это предел, к которому должна стремиться наша светотехника. В большинстве случаев мы еще очень далеки от этого предела. На искусственное освещение еще не обращено то большое внимание, которого оно заслуживает.
Освещенность окружающего в природе и яркость изображений на сетчатке глаза меняются в самых широких пределах в зависимости от времени года и дня, от облачности, от того, какие предметы находятся кругом (зелень, снег). Вывести «оптимальное» среднее для всех живых существ невозможно. Для дневных животных оно одно, для ночных (сов, летучих мышей) совсем другое. Для них свет наших скромных ламп и свечей невыносим. С биологической точки зрения «оптимальная освещенность» должна быть результатом эволюционного приспособления глаза к средней освещенности, создаваемой на Земле Солнцем. Глаз в отношении энергии приспособлен не к самому Солнцу, а к солнечному свету, рассеянному от окружающих тел. Об этом свидетельствуют переменная диафрагма зрачка, изменение чувствительности сетчатки и наиболее удобная яркость.
Рис. 32
Скорость чтения в зависимости от освещенности
Заметим еще следующее. Для утомления глазной сетчатки не столько важна полная энергия, входящая в глаз, сколько энергия, приходящаяся на единицу площади изображения на сетчатке. Чем дальше стоит свеча, тем меньше ее изображение; но «удельная яркость», т. е. яркость на единицу поверхности изображения, остается постоянной в широких пределах при передвижении свечи. Если взглянуть на длинный ряд дуговых светящихся фонарей убегающей вдаль городской улицы, то яркость ближних и дальних фонарей кажется почти одинаковой (свет дальних фонарей несколько ослабляется поглощением в запыленном воздухе). Другое дело, если заставить освещаться какую-нибудь поверхность светом первого, второго, третьего фонаря и т. д., в этом случае мы увидим, что освещенность будет чрезвычайно быстро убывать с увеличением расстояния до фонаря. Малосвечная, тусклая лампа, если на нее смотреть в упор, может крайне утомлять глаз, – изображение волосков лампы на сетчатке будет обладать очень большой «удельной яркостью». Вот почему лампы снабжаются рассеивающими свет колбами и абажурами. Забвением этого объясняются частые жалобы, что современные люминесцентные лампы, имеющие вид узких ярких светящихся трубок, вызывают «боль» в глазах. Избавиться от этого можно просто, поставив перед несколькими лампами рассеивающее матовое или молочное стекло. Можно также спрятать лампы так, чтобы они освещали, но их самих не было видно. Проще всего, конечно, не смотреть прямо на лампы, а только на освещенные ими предметы.
До сих пор мы говорили об абсолютной оценке световой энергии глазом. Оценка эта совершенно качественная: большие яркости мы воспринимаем «болезненно», ничтожные – «неприятной напряженностью», есть яркости для нас «удобные и приятные»; но мы не чувствуем ни изменения величины зрачка, ни изменения чувствительности сетчатки; эти процессы не доходят до сознания, а только они и могли бы служить действительной оценкой яркости. Мы резко замечаем только минимальную величину света (порог раздражения), потому что за нею зрительное впечатление полностью исчезает. Поэтому только наличие порога зрительного ощущения дает возможность иногда использовать глаз в качестве прибора для абсолютных измерений величины энергии света.
Но глаз может сравнивать яркости, судить о том, что светлее и что темнее. Суждение само по себе опять качественное, но им нетрудно воспользоваться для количественных измерений. Положим, что две лампы освещают каждая одну из поставленных рядом белых поверхностей (рис. 33). Одна поверхность кажется темнее, другая светлее. Имеется немало способов ослаблять силу света в точно известное число раз (простейший способ – отодвигание лампы). Изменим расстояние одной из ламп во столько раз, чтобы освещаемая ею поверхность казалась нам одинаковой яркости с соседней. Добившись этого, можно сказать, что одна лампа сильнее другой во столько раз, во сколько потребовалось ослабить ее свет. Если справа, например, стояла свеча, а слева 16-свечная лампа, то последнюю для достижения равенства освещенности придется ослабить в 16 раз (например, отодвинуть на расстояние, в четыре раза большее, чем до свечи). Этот прием называется фотометрированием, а соответствующие приборы фотометрами.
В настоящее время существует множество всякого рода фотометров, основанных на фотографическом, фотохимическом и фотоэлектрическом действии света. Эти приборы дают возможность производить измерения не только в видимом, но также и в инфракрасном и ультрафиолетовом свете, притом с большой точностью. Однако сейчас фотометр для нас интересен главным образом потому, что он позволяет обнаружить важные свойства человеческого глаза.
Рис. 33
Схема фотометра
Насколько тонко может судить глаз о том, что две поверхности освещены одинаково? При какой разнице в освещении он заметит это? Пусть, скажем, две поверхности одинаково освещены тысячесвечными лампами, расположенными на расстоянии 1 м от поверхностей; заметим ли мы разницу, если с одной стороны прибавим одну свечу? Опыт показывает, что нет; надо добавить примерно 20 свечей, чтобы разница освещения стала заметной. Отношение наименьшего заметного прироста освещения к основному освещению будет, стало быть, 20: 1000, т. е. 2 %. В таблице 2 приведены значения этого процентного прироста для разных сил света (в свечах) для желтого света с длиной волны 605 mµ.
Таблица 2
Исходная сила света в 200 000 свечей в таблице приблизительно соответствует освещенности прямым солнечным светом. Мы видим, что глаз лучше всего различает разницу в яркостях примерно при силе света в 5000 свечей; при больших и меньших яркостях эта способность уменьшается и необходимый процентный прирост возрастает. Величина прироста почти постоянна (около 2 %) в пределах 200–20 000 свечей.
Способность различать яркости имеет, конечно, большое значение для живого существа; она позволяет отличить один предмет от другого. Ширина интервала (200–20 000 свечей), где эта способность наиболее развита, приблизительно соответствует тем колебаниям освещенности, вызываемой Солнцем, о которых говорилось выше. Стало быть, способность различать яркости, так же как и абсолютное ощущение яркости глазом, приспособлены к Солнцу, но не к прямому солнечному свету, а к его лучам, рассеянным атмосферой и окружающими предметами.
«Солнечность» глаза, точнее говоря – его приспособление к солнечному свету, яснее всего, однако, сказывается в том, как отвечает глаз на спектральный состав света. Шкала лучей безгранична: со стороны длинных волн она уходит в бесконечность, со стороны коротких волн на границе стоят волны ничтожно малые. Участок видимых волн тонет в этом многообразии. Предположим, что к глазу подводятся лучи с разными длинами волн, но с равной энергией. Инфракрасные лучи глаз совсем не увидит, красные заметит, но слабо, желто-зеленые покажутся ярче всего, фиолетовые будут едва заметны, а ультрафиолетовые почти совсем невидимы.
Рис. 34
«Дневная» и «сумеречная» кривые видности
Возьмем яркость желто-зеленых лучей за единицу и сравним с нею яркости других лучей при одинаковой энергии (практически это сделать нелегко). Таким образом, получится кривая так называемой «видности» лучей (рис. 34). По горизонтальной оси рисунка отложены длины волн, по вертикальной – видность. При значительных яркостях получаются кривые, находящиеся справа; кривая 2 соответствует «среднему» глазу, кривая 3 – случайному отдельному наблюдателю. Мы видим, что максимум находится в желто-зеленой части (556 mµ), кривая круто и почти симметрично спадает в обе стороны. Ультрафиолетовые лучи с длинными волнами (примерно 360 mµ) можно видеть, если интенсивность их велика. Цвет их фиолетовый. Можно видеть, правда очень слабо, и лучи с более короткими волнами, приблизительно до 300 mµ. Такие лучи сильно поглощаются в хрусталике глаза и только в ничтожной доле доходят до сетчатки. Но, поглощаясь, они вызывают голубую флуоресценцию глаза, которую тоже видит сетчатка. Если посмотреь, например, на мощный источник ультрафиолетовых лучей – ртутную кварцевую лампу – через особое черное стекло, задерживающее все видимые лучи и пропускающее ультрафиолетовые, то все окружающее помещение кажется наполненным синеватым туманом, похожим на табачный дым. Этот «дым» флуоресценция глаза, замечаемая сетчаткой.
Нормальные глаза видят только небольшой участок из безграничной области лучей. Чем же определился выбор участка видимости? Вспомним (см. главу «Солнце»), что солнечный спектр для поверхности Земли практически кончается около 290 mµ, более короткие волны задерживаются слоем озона в атмосфере. Биологически существование глаза, приспособленного к восприятию лучей с волнами короче 290 mµ, было бы, разумеется, бесцельным. Но есть и другая причина, заставляющая глаз не только не приспособляться к восприятию ультрафиолетовых лучей, но, наоборот, защищаться от них. Лучи с короткими волнами в большинстве случаев химически разрушают органические вещества и могут убивать живые организмы. На этом основано действие так называемых бактерицидных ртутных ламп в кварцевых трубках или, чаще, в специальном стекле, пропускающем ультрафиолетовые лучи с короткими волнами. Свет таких ламп дезинфицирует помещения больниц, склады продуктов, водопроводную воду и т. д. Он же вызывает искусственный загар, но может и ослепить глаз, если глаз в течение долгого времени подвергался действию ультрафиолетовых лучей с длиной волны около 250 mµ.
Самая сетчатка человеческого глаза, как это доказано, обладает довольно большой чувствительностью к лучам с волнами короче 400 mµ (практической границы видимого спектра), но, оказывается, эти лучи почти не допускаются до сетчатки вследствие того, что хрусталик глаза чрезвычайно сильно их поглощает. Хрусталик не только дает изображение на сетчатке, но и служит предохранительным светофильтром для нее от лучей с короткими волнами, начиная примерно от 400 mµ. Заметно задерживая синие и фиолетовые лучи, хрусталик тем самым способствует уменьшению хроматической аберрации в глаз, делающей изображение нерезким.
Приведенные причины биологически вполне объясняют практическое прекращение видимости света со стороны коротких волн (около 400 mµ).
Перейдем к другой границе видимости со стороны длинных волн. Почему глаз перестает видеть в области инфракрасных лучей? Здесь также можно указать две очень уважительные причины. Представим себе, что глаза стали бы чувствительны к инфракрасным лучам в такой же степени, как к зеленым. Для человека произошло бы нечто трудно вообразимое. Все нагретые тела, как мы говорили, излучают свет; у мало нагретых тел все излучение сосредоточено в инфракрасной части спектра. Температура человеческого тела, в частности и полости глаза, около 37°. По законам теплового излучения можно вычислить, что максимум излучения человеческого тела соответствует 9–10 µ, а энергия, излучаемая с одного квадратного сантиметра поверхности в секунду, равна примерно 0,012 калории. Внутренние стенки глаза, разумеется, также излучают эту энергию; внутренность глаза светится инфракрасным светом. При этом внутри глазной полости поверхность столько же поглощает, сколько излучает. Общая внутренняя поверхность глаза около 17 кв. см. Умножив 0,012 на 17, получим 0,2 калории, т. е. общую энергию внутреннего собственного невидимого света, поглощаемую глазом. Представим себе теперь на мгновение, что невидимый инфракрасный свет стал видимым так же, как зеленый. Одна «зеленая свеча» излучает на один квадратный сантиметр с расстояния в один метр около 38 миллиардных долей калории в секунду; 0,2 калории равносильны 5 млн свечей. Глаз внутри засветился бы миллионами свечей. По сравнению с этим внутренним светом потухло бы Солнце и все окружающее. Человек видел бы только внутренность своего глаза и ничего больше, а это равносильно слепоте.
Вполне целесообразно поэтому, что глаз не видит инфракрасных лучей с длинными волнами.
Но почему же нет зрения в области инфракрасных лучей с более короткими длинами волн, например от 1 до 5 µ? По-видимому, причина этого кроется в самом механизме зрения. Он неизвестен до сих пор, но во всяком случае можно утверждать, что зрение должно начинаться либо химическими действиями света, либо фотоэлектрическими (вырывание электронов из молекул). Для осуществления и фотохимических и фотоэлектрических процессов нужна, однако, энергия, которая не может быть меньше некоторой минимальной величины, иначе нельзя разорвать молекулу или оторвать от нее электрон.
В настоящее время известны некоторые фотоэлектрические процессы (именно увеличение электропроводности при освещении), простирающиеся в смысле возможной чувствительности очень далеко в инфракрасную область, до 5–6 µ. Однако величина чувствительности при этом все же крайне незначительна. Точно так же фотографические пластинки не чувствительны к этим областям волн.
Изложенные причины, определяемые, с одной стороны, свойствами солнечного света, а с другой – особенностями действий света на вещество, достаточно объясняют, почему глаз видит только узкую часть спектра, расположенную примерно от 0,4 до 0,7 µ.
Но есть и другой очень важный солнечный фактор, определяющий именно такой «естественный отбор» области видимости. Обратимся к рассмотрению распределения энергии в спектре солнечного света. Для существа, живущего на земной поверхности, это распределение далеко не постоянно. Оно резко меняется в зависимости от положения Солнца на небесном своде. При разной высоте над горизонтом солнечным лучам приходится проходить равные толщи атмосферы, которая рассеивает и поглощает эти лучи различным образом для разных длин волн. На это мы уже указывали в главе о Солнце. На рисунке 35 проведены сглаженные (без фраунгоферовых линий) кривые распределения энергии солнечного света: I – за пределами атмосферы; II – при положении Солнца над головой; III – при высоте Солнца 30° над горизонтом; IV – при условиях, близких к восходу и закату, 10° над горизонтом.
Рис. 35
Распределение энергии в спектре Солнца при различных высотах над горизонтом
На рисунке 36 приведена средняя годичная кривая распределения энергии полуденного Солнца (верхняя кривая). Разумеется, для глаза важна именно такая усредненная кривая. Из кривой явствует, что для «среднего» Солнца энергия в области 450–650 mµ распределена почти равномерно, но она резко падает в сторону более коротких и длинных волн. Иначе говоря, кривая видности, отмеченная на рисунке 36 заштрихованной площадью I, расположена в наиболее выгодной части кривой распределения среднего солнечного света.
Если бы задачей глаза было только возможно более экономичное восприятие световой энергии, то, разумеется, равномерная чувствительность во всем интервале 0,4–0,7 µ была бы лучшим решением задачи.
Но рассуждая так, мы подходим к вопросу слишком упрощенно и грубо. Биологически существенна не абсолютная чувствительность глаза к тем или иным световым волнам, а умение возможно лучше отличать освещенные предметы один от другого. Биологически видеть это не значит просто получить зрительное ощущение, а умение различать подробности окружающего. Узость и резкость кривой видности в значительной мере ослабляют влияние хроматической аберрации, что повышает отчетливость изображения на сетчатке. Этому же помогает различие отражательной способности для разных длин волн у разных тел. При этом чрезвычайно важно, что резкость контраста яркостей окраски разных тел окружающего чрезвычайно увеличивается оттого, что кривая видности глаза не пологая, а имеет резкий максимум и круто падает в обе стороны спектра. Именно поэтому предметы окружающего мира резко отделяются для глаза один от другого.
Рис. 36
Средняя годичная кривая распределения энергии полуденного Солнца для средних широт (верхняя кривая) I – кривая дневной видности; II – кривая сумеречной видности; III – кривая поглощения хлорофилла
Вернемся к тому, о чем шла речь в главе о свете, – к интерференционным кольцам Ньютона. Оказывается, что если бы мы стали промерять энергию, отраженную от линзы и стекла, прибором, одинаково чувствительным к любым волнам (этот прибор – термоэлемент), то мы совсем не заметили бы колец Ньютона! Только потому, что кривая видности глаза имеет форму довольно узкой кривой с резким максимумом, глаз хорошо видит эти кольца. С очень широкой кривой чувствительности глаза мы не увидели бы вокруг себя очень многого.
Следует заметить, что кривая видности для денного зрения почти совпадает со средней кривой распределения энергии солнечного света, отражаемого и рассеиваемого зелеными растениями. Это обстоятельство, конечно, весьма выгодно для существа, живущего среди растений и в значительной мере питающегося ими.
Перед нами пример удачного приспособления глаза к реальным условиям жизни на Земле и доказательство действительного родства глаза и Солнца.
При очень слабых освещенностях кривая видности довольно резко изменяется. На рисунках 34 и 36 слева дана кривая видности для слабых освещений: мы замечаем, что она значительно сдвинута в синюю область спектра сравнительно с кривой для ярких освещений. Физиологи дают такое объяснение этой особенности сумеречного зрения. В сетчатке, как мы видели, есть два вида светочувствительных элементов – колбочки и палочки. В денном зрении главную роль играют колбочки, но чувствительность их невелика; при ослаблении света они перестают действовать, и на сцену выступают палочки с другой кривой видности. С этой точки зрения кривая I на рисунке 36 соответствует «денным» колбочкам, а кривая II – «ночным» палочкам.
Если денная кривая видности есть итог приспособления глаза к солнечному свету, рассеянному атмосферой, зеленью и пр., то, казалось бы, мы вправе ожидать, что «ночная» кривая приспособлена к ночному небу. Свечение ночного неба (если на нем нет Луны, рассеивающей прямой солнечный свет) слагается из света звезд, из ничтожного рассеяния солнечных лучей, даже глубокой ночью слегка проникающих в атмосферу, и, наконец, из собственного свечения неба, составляющего значительную часть общего свечения. Это собственное свечение неба объясняется излучением атомов кислорода и азота в верхних слоях атмосферы. Спектр ночного свечения неба линейчатый, в особенности ярка зеленая линия с длиной волны 558 mµ. Собственное свечение неба достигает максимума около полуночи. Однако в вопросе о приспособленности «ночной» кривой видности к ночному небу до сего времени остаются некоторые трудности. Измерения суммарного распределения энергии света от звезд и от свечения неба еще недостаточны. По опытам П. П. Феофилова, произведенным зимою 1941 года, суммарное распределение энергии ночного неба оказалось эквивалентным черному излучателю с температурой 400°, т. е. было краснее, а не синее, как ожидалось. Измерения эти не могут, однако, считаться общезначимыми, они должны быть повторены и расширены на разные места Земли и времена года. Кроме того, еще раз важно подчеркнуть, что для глаза в трудных ночных условиях еще более чем в денных, важно не само зрительное ощущение, а возможность различения окружающих предметов одного от другого. Эти вопросы изучены еще очень мало. Нельзя думать, что перемещение кривой ночного видения в сторону коротких волн случайно. В соответствии со всем ходом развития живого естественно предположить, что указанное перемещение кривой ночной видности способствует увеличению различительной способности глаза в ночных условиях.
В отличие от глаза, который должен видеть, лист растения должен усваивать световую энергию для химических превращений. Это находит свое выражение в спектральном расположении кривой фотохимической чувствительности зеленого растения. На рисунке 36 площадью III отмечена основная кривая поглощения зеленого красящего вещества растений – хлорофилла. Ее максимум резко сдвинут по отношению к кривой дневной видности в сторону длинных волн. Насколько это биологически целесообразно, почему в данном случае выгоднее длинные волны?
Вернемся к основному фотохимическому закону, о котором мы говорили в главе о свете. Мы видели, что для осуществления химического превращения в молекуле необходимо поглотить один квант h. Этот квант, конечно, должен по своей энергии превышать некоторую минимальную величину h0, требующуюся для химического разложения, иначе реакция не пойдет. Поэтому ясно, что под действием инфракрасных лучей химические процессы мало вероятны.
С другой стороны, разложение может быть осуществлено всеми поглощающимися квантами h, энергия которых больше h0. Однако, сколь бы велика ни была энергия кванта, он будет поглощен только одной молекулой и произведет то же, что и квант с относительно малой энергией, но превышающей энергию h0. Отсюда ясно, что фотохимически для растения наиболее выгодны кванты с наименьшей энергией (но большей h0), т. е. с наибольшей допустимой длиной волны.
Если теперь принять во внимание кривую среднего распределения солнечного света, изображенную на рисунке 36 (верхняя кривая), то очевидно, что в равномерном участке между 450 и 650 mµ наиболее выгодно расположить кривую хлорофилла в области 600–700 mµ, где она действительно и находится.
Когда фотографу нужно переместить максимум спектральной чувствительности пластинки из одной области в другую, он прокрашивает светочувствительный слой разными органическими красителями – «сенсибилизаторами», получая таким образом фотографические слои, особо чувствительные, смотря по надобности, к красным, желтым, зеленым лучам. Совершенно то же, как мы убедились, происходит и в природе, причем сенсибилизаторами служат зрительный пурпур и хлорофилл.
Форма кривой видности имеет огромное значение для осветительной техники. В большинстве искусственных источников света используется излучение при нагревании (свечи, керосиновые лампы, лампочки накаливания и т. д.); в этом излучении только часть лучей видима, остальные бесследно пропадают для глаза. Если повышать температуру тела с черной поверхностью, то все большие порции лучистой энергии переходят из инфракрасной области в видимую, источник света становится выгоднее. Однако так будет продолжаться не всегда. При повышении температуры одновременно часть лучистой энергии перекачивает в невидимую ультрафиолетовую область. Теоретически возможно достигнуть таких температур, когда огромная часть лучистой энергии перейдет в невидимую область ультрафиолетовых и рентгеновых лучей. Значит, существует некоторая наивыгоднейшая для глаза температура накала источника света. Какова она?
Таблица 3
В таблице 3 указан процент лучистой энергии, проявляющейся как видимый свет для разных температур.
Мы видим, что наивыгоднейшей температурой будет 6000°, когда половина всей энергии превращается в видимый свет. Но это температура Солнца! Какая же связь имеется между излучением Солнца, черным телом и глазом? Не случайность ли найденное совпадение? После того что мы узнали о свете, Солнце и глазе, после того как для нас становится несомненным, что глаз развился вследствие существования Солнца, в известном смысле для Солнца и под действием Солнца, найденная связь становится вполне естественной и необходимой. И Солнце, и светящееся черное тело наблюдаются одним и тем же глазом. Но глаз приспособился к Солнцу, поэтому для него подобие спектра искусственного источника спектру Солнца есть наиболее совершенное решение задачи.
Читать бесплатно другие книги:
