Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Если бы это объяснение было полным, вы не увидели бы синие области, если бы рассматривали фигуру на фоне неба или какого-либо другого протяженного источника преимущественно голубого света, потому что синий ореол нельзя было бы отличить от фона. Чтобы завершить объяснение, мы, по-видимому, должны предположить, что мозг добавляет дополнительный синий цвет в этот ореол. Предположительно, эта субъективна я окраска ореола спровоцирована желтой окраской соседних с ним частей песочных часов.

В 1810 году Иоганн Вольфганг фон Гёте, немецкий мыслитель, великий писатель и один из первых исследователей цветного зрения, описал следующий эксперимент: «В сумерках поставим короткую горящую свечу на лист белой бумаги. Перед ней и угасающим дневным светилом поставим вертикально карандаш, так чтобы отбрасываемая им тень в свете свечи освещалась, но не исчезала в слабом дневном свете. И тогда мы увидим, что эта тень чудесного голубого цвета».

Вы можете проделать похожий эксперимент. В темной комнате осветите экран лучами двух прожекторов. На пути одного луча поместите цветной фильтр, например кусок красного целлофана. Поставьте руку перед ним так, чтобы она отбрасывала небольшую тень на экран. За пределами тени экран розовый, потому что на него падает красный свет от первого прожектора и белый свет от второго прожектора. Внутри тени экран должен быть белым, потому что красный свет от первого прожектора заблокирован вашей рукой и экран освещен только вторым прожектором. Однако внутри тени экран сине-зеленый. Почему тень окрашивается?

ОТВЕТ •Я объясню эксперимент с прожекторами, а эксперимент великого Гёте попробуйте объяснить сами. Изображения экрана и тень вашей руки возбуждают три типа колбочек-фоторецепторов на сетчатке. Изображение розового экрана сильно возбуждает красные колбочки и гораздо меньше — зеленые и синие колбочки.

Изображение тени должно быть белым, поскольку область тени освещена только вторым прожектором без фильтра, поэтому это изображение должно возбуждать все виды колбочек. Однако красные колбочки, возбужденные розовым экраном, гасят (ингибируют) сигнал от красных колбочек, находящихся внутри изображения тени. Этот притушенный сигнал интерпретируется зрительной системой как сигнал сине-зеленого цвета, дополнительного к красному цвету. Как происходит гашение и почему воспринимается дополнительный цвет — пока нерешенные головоломки.

Солнцезащитные очки уменьшают интенсивность видимого и ультрафиолетового света, проникающего в глаз, поглощая часть света. Но, с другой стороны, при затемнении расширяется зрачок. Возможно ли, что из-за расширения увеличивается количество ультрафиолетового света, попадающего в глаз, и поэтому солнцезащитные очки не следует носить?

Почему коренные жители Канады и Аляски закрывают глаза кусками кости или дерева с узкими прорезями для глаз? Почему атлеты (особенно американские футболисты) наносят на скулы черную краску, если игра происходит при ярком солнечном свете?

ОТВЕТ •Современные солнцезащитные очки уменьшают общий поток ультрафиолетового света, проникающего в глаз, несмотря на расширение зрачка. Однако ранее выпускались солнцезащитные очки, не обладавшие этим свойством (пластмассовые и не содержащие красителей, поглощающих ультрафиолет). Поэтому в пособиях по альпинизму имелось предупреждение об опасности применения пластмассовых солнцезащитных очков.

Коренные жители Канады и Аляски стремились уменьшить отражения от ярко освещенных снежных и ледяных поверхностей, среди которых им приходилось жить. Прорези, через которые они смотрели, значительно уменьшали не только видимый свет и ультрафиолет, попадающий в глаза, но и инфракрасное излучение, вызывающее в глазах дискомфорт.

Черная краска на скулах американских футболистов уменьшает отражение света от щек в глаза, мешающее игроку видеть. Это отражение от щек особенно неприятно, если по щекам течет пот, а матч проводится либо днем под высоким солнцем, либо при ярком свете прожекторов в ночное время.

Наша способность видеть связана с тем, что глаз изгибает (преломляет) световые лучи так, что они образуют четкое изображение на сетчатке. Около двух третей этого преломления происходит на изогнутой поверхности роговицы, остальное — при прохождении лучей через хрусталик, который расположен на некотором расстоянии позади роговицы. Рыба отличается тем, что ее глаз находится в воде, а вода имеет примерно те же оптические свойства, что и глаз, свет в роговице уже не преломляется и световые лучи могут преломляться только в хрусталике. Более того, поскольку хрусталик рыбы должен сильно изгибать лучи, чтобы они сфокусировались сразу за ним, он должен быть почти сферическим. Однако сферическая линза страдает от сферических аберраций , поскольку лучи, проходящие близко к ее краям, входят под таким большим углом к поверхности линзы, что преломляются сильно, а лучи, распространяющиеся вдоль центральной оси линзы, входят под меньшими углами и, следовательно, изгибаются намного меньше. В результате лучи фокусируются в широком пятне позади линзы и, таким образом, не создают четкого изображения (рис. 7.7а). Фактически сферический хрусталик рыбы должен был бы сделать рыбу почти слепой. Как же тогда рыбам удается видеть?

Рис. 7.7 / Задача 7.42.Фокусировка световых лучей сферической линзой с постоянным показателем преломления (a) и градиентным показателем преломления (б).

ОТВЕТ •Степень преломления лучей при вхождении их в хрусталик и на выходе из него зависит от разницы в показателях преломления материалов. Если луч попадает из водно-белковой среды, заполняющей глазное яблоко, в хрусталик с большим показателем преломления, лучи сильно изогнутся. Если у хрусталика меньший показатель преломления, лучи изогнутся меньше. Хрусталик в рыбьем глазу имеет не постоянный показатель преломления: он больше вдоль центральной оси и меньше ближе к краям. В результате лучи, идущие вдоль центральной оси, и лучи, падающие ближе к периферии, создают изображение в одной относительно небольшой области за хрусталиком (рис. 7.7б).

Таким образом, рыба получает возможность видеть. Изменение показателя преломления, или градиент показателя преломления , возникает благодаря изменению свойств водно-белковой среды в глазу. Вы можете обнаружить эти меняющиеся свойства среды, рассмотрев глаз сырой или приготовленный рыбы: его текстура тверже вблизи центральной оси.