Сергей Вавилов - Глаз и Солнце

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.