2. Свет

Чтобы видеть, нам нужен свет. Это положение может показаться слишком очевидным, чтобы заслуживать упоминания, однако оно не всегда было столь банальным. Платон думал, что зрительное восприятие существует не потому, что свет проникает в глаз, а потому, что частицы, исходящие из глаз, обволакивают окружающие предметы. Трудно представить себе теперь, почему Платон не попытался разрешить проблему с помощью простых экспериментов. Хотя для философов вопрос о том, каким образом мы видим, всегда был излюбленной темой размышлений и теоретических построений, только за последнее столетие эта проблема стала предметом систематических исследований; это довольно странно, поскольку все научные наблюдения зависят от показаний человеческих органов чувств и главным образом от зрения.

В течение последних 300 лет существовали две соперничавшие теории относительно природы света. Исаак Ньютон (1642–1727) считал, что свет — это поток частиц, в то время как Христиан Гюйгенс (1629–1695) утверждал, что свет представляет собой, по всей видимости, колебание небольших эластичных сферических образований, соприкасающихся друг с другом и перемещающихся во всепроникающей среде — эфире. Любое возмущение этой среды, как он считал, будет распространяться во всех направлениях в виде волны, а эта волна и есть свет.

Полемика относительно природы света — одна из наиболее впечатляющих и интересных в истории науки. Основным вопросом на ранних стадиях дискуссии был вопрос о том, распространяется ли свет с определенной скоростью или он достигает цели мгновенно. Ответ на этот вопрос был получен совершенно неожиданно датским астрономом Рёмером (1644–1710). Он изучал затмение четырех ярких спутников, вращающихся вокруг Юпитера, и обнаружил, что периоды между затмениями нерегулярны и зависят от расстояния между Юпитером и Землей.

Рис. 2, 1. Христиан Гюйгенс (1629–1695), портрет неизвестного художника. Гюйгенс доказывал, что свет распространяется как волны через эфир.

Рис. 2, 2. Сэр Исаак Ньютон (1642–1727), портрет Чарлза Джервеса. Ньютон утверждал, что свет состоит из частиц, однако, предвосхищая современные теории, он понимал сложность вопроса и считал, что свет имеет двойственную природу, обладая признаками как частиц, так и волн. Ньютон является автором первого эксперимента, показавшего, что белый цвет представляет собой смешение всех цветов спектра; он также первый высказал мысль о возможности объяснения цветового зрения физическими характеристиками света.

В 1675 г. он пришел к заключению, что этот факт определяется временем, которое требуется, чтобы свет, исходящий от спутников Юпитера, достиг глаза экспериментатора; время возрастает с увеличением расстояния вследствие ограниченной скорости света. Действительно, расстояние от Земли до Юпитера равно примерно 299 274000 км — это в два раза больше, чем расстояние от Земли до Солнца; наибольшая временная разница, которую он наблюдал, равнялась 16 мин. 36 сек. — на этот отрезок времени раньше или позже, чем полагалось по расчету, начиналось затмение спутников. На основании несколько ошибочной оценки расстояния до Солнца он подсчитал, что скорость света равна 308 928 км/сек. Современные знания о диаметре земной орбиты позволяют нам уточнить эту величину и считать ее равной 299 274 км/сек, или 3∙10¹⁰ см/сек. Скорость света, таким образом, на небольших расстояниях от Земли измеряется очень точно, и теперь мы рассматриваем ее как одну из основных констант Вселенной.

Вследствие ограниченной скорости света и определенной задержки нервных импульсов, поступающих я мозг, мы всегда видим прошлое. Наше восприятие Солнца запаздывает на 8 мин.; всем известно, что наиболее отдаленный из видимых невооруженным глазом объектов — туманность Андромеды уже больше не существует и то, что мы видим, происходило за миллион лет до появления человека на Земле.

Скорость света, равная 3∙10¹⁰ см/сек, строго сохраняется только в полном вакууме. Когда свет проходит через стекло или воду или какую-нибудь другую пропускающую свет среду, его скорость уменьшается в соответствии с показателем преломления света (приблизительно в соответствии — с плотностью этой среды). Это замедление скорости света исключительно важно, так как именно благодаря этому свойству света призма преломляет свет, а линзы создают изображение. Закон преломления (отклонение луча света в зависимости от изменения показателя преломления) был впервые установлен Снеллиусом, профессором математики, в Лейдене в 1621 году. Снеллиус умер в возрасте 35 лет, оставив свои работы неопубликованными. Декарт сформулировал Закон преломления одиннадцать лет спустя. Закон преломления гласит:

«При переходе света из среды А в среду В отношение синуса угла падения к синусу угла преломления света является константой».

Мы можем видеть, как это происходит, из простой диаграммы (рис. 2, 3): если АВ — луч, проходящий через; плотную среду в вакуум (или воздух), то он появится в воздухе под углом i по линии BD.

Закон гласит, что sin i/sin r является постоянной величиной. Эта константа и есть индекс рефракции, или показатель преломления, обозначенный v.

Рис. 2, 3. Свет отклоняется (преломляется) плотной прозрачной средой. Отношение синусов углов, под которыми луч света входит в прозрачную среду и выходит из нее, является постоянной величиной для данного показателя преломления среды. Эта закономерность лежит в основе образования изображения с помощью линз. (Угол отклонения света является также функцией длины световой волны, так что, проходя через призму, луч света расщепляется на цвета спектра.) Буквенные обозначения объясняются в тексте.

Ньютон думал, что частицы света (корпускулы) притягиваются к поверхности плотной среды, Гюйгенс полагал, что преломление возникает вследствие того, что — скорость света уменьшается в плотной среде. Эти предположения были высказаны задолго до того, как французский физик Фуко доказал прямыми измерениями, что скорость света в плотной среде действительно уменьшается. Некоторое время считали, что корпускулярная теория света Ньютона совершенно ошибочна и что свет — это только ряды волн, проходящих через среду, эфир; однако начало нынешнего столетия ознаменовалось важным доказательством того, что волновая теория света не объясняет всех световых явлений. Теперь считается, что свет — это и частицы и волны.

Свет состоит из единиц энергии — квантов. Они соединяют в себе свойства и частиц и волн. Коротковолновый свет содержит большее количество волн в каждом пучке, чем длинноволновый. Этот факт находит свое отражение в правиле, согласно которому энергия одного кванта является функцией частоты, иначе говоря, E = hv, где Е — это энергия в эрг/сек; h — небольшая постоянная величина (константа Планка), а v — частота излучения.

Когда свет преломляется призмой, каждая частота отклоняется под несколько иным углом, так что из призмы пучок света выходит в виде веера лучей, окрашенных во все цвета спектра. Ньютон открыл, что белый свет состоит из всех цветов спектра, разложив солнечный луч на спектр и затем обнаружив, что он может вновь смешать цвета и получить белый свет, если пропускать спектр через вторую сходную призму, установленную в обратном положении.

Рис. 2, 4. Схематический рисунок одного из опытов по цветовому зрению, сделанный рукой Ньютона. Он первый расщепил луч света на спектральные цвета (с помощью большой призмы), затем отдельные спектральные цветовые пучки пропустил через отверстия в экране и направил их на вторую призму, но не получил новых цветов. Он обнаружил также, что вторая призма, помещенная на пути цветовых спектральных лучей, смешивает их в белый цвет. Следовательно, белый цвет состоит из всех цветов спектра.

Ньютон обозначил семь цветов своего спектра следующим образом: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Никто в действительности не видит синий цвет в чистом виде, еще более сомнителен оранжевый. Подобное деление спектра на цвета объясняется тем, что Ньютон любил число 7, и он добавил оранжевый и синий, чтобы получить магическую цифру!

Теперь мы знаем то, чего не знал Ньютон, а именно, что каждый спектральный цвет, или оттенок, является светом определенной частоты. Мы знаем также, что так называемое электромагнитное излучение, по существу, ничем не отличается от светового. Физическое различие между радиоволнами, инфракрасным светом, видимым светом, ультрафиолетовыми и рентгеновскими лучами состоит в их частоте. Только очень узкий диапазон этих частот возбуждает глаз и дает изображение и ощущение цвета. Диаграмма (рис. 2, 5) показывает, как узка эта полоса в физической картине волн. Взгляните на этот рисунок, ведь мы почти слепы!

Рис. 2, 5. Свет — это лишь узкая полоса в общем электромагнитном спектре, который включает в себя радиоволны, инфракрасные, ультрафиолетовые и рентгеновские лучи. Физическая разница между ними состоит лишь в длине волны излучения, но их действие совершенно различно. Внутри той октавы цветов, к которой чувствителен глаз, различным цветам соответствует разная длина волн. Излучения вне светового диапазона при взаимодействии с материей обнаруживают совершенно иные свойства.

Если нам известна скорость света и его частота, то легко подсчитать длину волны, однако в действительности, частоту света трудно измерить непосредственно. Легче измерить длину световых волн, чем их частоту, хотя это не относится к низкочастотным радиоволнам. Длина световой волны измеряется путем расщепления света не с помощью призмы, а с помощью специальной решетки из тонких тщательно начерченных по определенным правилам линий, в результате чего также возникают цвета спектра. (Это можно видеть, если держать диск светового поляризатора наклонно, под тупым углом к источнику света: тогда отражение будет состоять из ярких цветов.) Если даны расстояния между линиями, нанесенными по определенному образцу и составляющими решетку, и угол, благодаря которому возникает пучок света данного цвета, то длина волны может быть определена очень точно. Подобным путем можно установить, что голубой свет имеет длину волны приблизительно 1/100 000 см, в то время как длина волны красного света равна 1/175 000 см. Длина световой волны важна для установления границ разрешающей способности оптических инструментов.

Мы не можем невооруженным глазом видеть один квант света, тем не менее рецепторы сетчатки настолько чувствительны, что они могут стимулироваться одним квантом света. Однако, чтобы получить ощущение вспышки света, необходимо несколько (от пяти до восьми) квантов света. Отдельные рецепторы сетчатки настолько чувствительны, насколько это вообще возможно для какого-либо детектора света, поскольку квант — это наименьшее количество лучистой энергии, которое вообще может существовать. К сожалению, прозрачные проводящие среды глаза далеки от совершенства и скрадывают возможности сетчатки воспринимать свет. Только около 10 % света, поступающего в глаз, достигают рецепторов, остальное теряется вследствие поглощения и расщепления внутри глаза прежде, чем свет достигнет сетчатки. Несмотря на эти потери, оказывается возможным при идеальных условиях видеть одну свечу на расстоянии 27 353 м.

Идея квантовой природы света имеет важное значение для понимания зрительного восприятия; эта идея вдохновила на ряд изящных экспериментов, направленных на выяснение физических свойств света и его восприятия глазом и мозгом. Первый эксперимент, посвященный изучению квантовой природы света, был проведен тремя физиологами — Гехтом, Шлером и Пиренном в 1942 г. Их работа является сейчас классической. Предполагая, что глаз должен обладать почти или целиком такой же чувствительностью, как это теоретически возможно, они задумали очень остроумный эксперимент, чтобы выяснить, сколько квантов света должно быть воспринято рецепторами, чтобы мы увидели вспышку света. Доказательство основывалось на использовании распределения Пуассона. Оно описывает ожидаемое распределение попаданий в цель. Идея состоит в том, что по крайней мере частично изменения чувствительности глаза во времени связаны не с состоянием самого глаза или нервной системы, а с колебаниями энергии слабого светового источника. Вообразите беспорядочный поток пуль, они не будут попадать в цель с постоянной скоростью, скорость будет варьировать, сходным образом наблюдаются колебания и в количестве квантов света, которые достигают глаза. Данная вспышка может содержать малое или большое число квантов света, и вероятность обнаружить ее будет тем выше, чем; больше она превышает среднее число квантов во вспышке. Для яркого света этот эффект несуществен, однако, поскольку глаз чувствителен и к нескольким квантам, колебания энергии света важно учитывать при минимальных величинах этой энергии, необходимых для возникновения ощущения.

Представление о квантовой природе света важно также и для понимания способности глаза выделять тонкие детали. Одна из причин, почему мы можем читать при свете луны только крупный газетный шрифт, состоит в том, что количество квантов, попадающих на сетчатку, недостаточно, чтобы создать полный образ за тот короткий промежуток времени, который требуется глазу, чтобы интегрировать энергию, — это число порядка одной десятой секунды. В действительности это еще не все, что может быть сказано по этому поводу; чисто физический фактор, обусловленный квантовой природой света, способствует появлению хорошо известного зрительного феномена — ухудшению остроты зрения при тусклом свете. До последнего времени это явление трактовалось исключительно как свойство глаза. (В самом деле часто довольно трудно установить, следует ли относить тот или иной зрительный феномен к области психологии, физиологии или физики.

Как возникают изображения? Проще всего изображение может быть получено с помощью булавочного отверстия. Рис. 2, 6 показывает, как это делается.

Рис. 2, 6. Образование изображения с помощью булавочного отверстия. Лучи, исходящие из определенного участка источника света, достигают только одного участка экрана, так как они проходят через отверстие. Таким образом, на экране возникает изображение (перевернутое), созданное лучами, проходящими через отверстие. Изображение не искажено, но неясно и не очень отчетливо. Очень маленькое отверстие вызывает неясность изображения вследствие эффекта дифракции, обусловленного волновой природой света.

Луч от части предмета х может достигнуть только одной части экрана у — той части, которая расположена на прямой линии, проходящей через булавочное отверстие. Каждая часть предмета освещает соответствующую часть экрана, так что на экране создается перевернутое изображение предмета. Полученное с помощью булавочного отверстия изображение будет довольно тусклым, потому что для четкого изображения нужно еще меньшее отверстие (хотя, если отверстие слишком мало, изображение будет расплывчатым, поскольку нарушается волновая структура света).

Линза фактически представляет собой пару призм (рис. 2, 7). Они направляют поток света от каждой точки объекта к соответствующей точке экрана, давая, таким образом, яркое изображение.

Рис. 2, 7. Линза может представлять собой пару конвергирующих призм, образующих изображение пучка лучей. Изображение получается более ярким, чем с помощью булавочного отверстия, но, как правило, оно несколько искажено, при этом глубина фокуса ограничена.

В отличие от булавочного отверстия, линзы хорошо работают только тогда, когда соответствующим образом подобраны и правильно установлены. Хрусталик может быть неправильно настроен и не соответствовать глазу, в котором он находится. Хрусталик может фокусировать изображение спереди или сзади сетчатки, вместо того чтобы фокусировать его на самой сетчатке, что приводит к появлению близорукости или дальнозоркости. Поверхность хрусталика может быть недостаточно сферической и вызывать искажение или нарушение четкости изображения. Роговица может быть неправильной формы или иметь изъяны (возможно, вследствие повреждения металлической стружкой на производстве или песчинкой при вождении машины без предохранительных очков). Эти оптические дефекты могут быть скомпенсированы с помощью искусственных линз — очков. Очки исправляют дефекты аккомодации, изменяя силу хрусталика; они корригируют астигматизм, добавляя несферический компонент. Обычные очки не могут исправить дефекты поверхности роговицы, однако, новые роговичные линзы, установленные на самом глазу, образуют новую поверхность роговицы.

Очки удлиняют нашу активную жизнь. С их помощью мы можем читать и выполнять сложную работу в старости. До их изобретения работники умственного и физического труда становились беспомощными вследствие недостатков зрения, хотя они были еще сильны разумом.