Глаз и Солнце

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 бо́льших 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 посмотреть, 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.