Ричард Грегори - Глаз и мозг. Психология зрительного восприятия

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∙10 10 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∙10 10 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!