С. И. ВАВИЛОВ ГЛАЗ И СОЛНЦЕ (О свете, Солнце и зрении)   Глава 3 ГЛАЗ

Глаз обязан бытием своим свету. Из безучастных животных вспомогательных органов свет вызывает орган, который стал бы ему подобным; так образуется глаз ffa свету, для света, чтобы внутренний свет встречал внешний.  Гёте Лучи твои создают глаза всех тварей твоих. Малый гимн Атону

Живое существо не имеет более верного и сильного защитника, чем глаз. Видеть - значит различать врага и друга и окружающее во всех подробностях. Другие органы чувств выполняют то же, но несравненно грубее и слабее. Осязание и чувство теплоты дают нам вести о внешнем мире только при непосредственном соприкосновении; слух и обоняние, извещающие издалека, недостаточно информируют о расстоянии, направлении и формах. Наши слова "очевидно", "поживем - увидим" равносильны тому, что видимость - достоверность. Современный физик убеждает других в реальности атомов тем, что мы, наконец, увидали пути отдельных атомов, а прежние противники существования атомов постоянно аргументировали тем, что атомов никто не видел. В этом смысле надо понимать изречение Анаксагора: "Зрение есть явление невидимого", - невидимый мир становится реальностью, явлением посредством зрения.

Задачи идеального глаза как физического прибора ясны. От окружающих предметов исходит свет. Глазу даются направление лучей, энергия, спектральный состав и поляризация. От каждой точки предмета должно получиться свое, отдельное ощущение. Сочетание этих ощущений в мозговом центре должно воссоздать в идеале точное подобие излучающей поверхности со всеми ее оптическими особенностями. Важна пространственная правильность передачи, мозг должен получить верные сведения о форме, размерах и расстоянии. Далее мозг может корректировать полученные сведения в зависимости от потребности организма.

Как увидим, глаз довольно близко подходит к решению этой идеальной задачи.

Но как мог возникнуть вспомогательный живой орган, решающий оптические трудности иногда с большим совершенством, чем это доступно современному оптику, вооруженному огромными физическими знаниями и техникой?

На вопросы такого рода ответила биология дарвиновской теорией развития. Глаз есть результат чрезвычайно длительного процесса "естественного отбора", итог изменений организма под действием внешней среды и борьбы за существование, за лучшую приспособленность к внешнему миру.

Могучий фактор наследственности гарантирует сохранение биологических свойств, если они соответствуют внешним условиям и увеличивают стойкость организма в борьбе за жизнь. Многообразные воздействия окружающего мара создают различия в отдельных особях, которые в некоторых случаях дают им преимущества перед остальными. Так происходит "естественный отбор", так выживает и размножается дальше только наиболее приспособленное к внешнему миру, наиболее сильное.

В бесчисленном разнообразии живого перед нами - всевозможные решения оптической задачи; все они несовершенны, но во всех - немало целесообразного и, сточки зрения человека, "остроумного".

На фиг. 32 сопоставлены некоторые примеры различных способов решения задачи о глазе, о "приборе" для зрительного восприятия внешнего мира. На фиг. 32, а - пример "глаза" в одноклеточном организме. Перед чувствительным веществом помещается шаровидная линза 1. Конечно, говорить об аппарате для получения изображения здесь еще нельзя. Ничтожные размеры линзы и ретины в этом случае предопределяют резкие дифракционные явления, а следовательно, чрезвычайное искажение изображения. На фиг. 32, б представлены зрительные органы дождевого червя. Здесь нет глаза; у червя светочувствительна вся его поверхность; зрительные клетки, соединенные с нервными волокнами, распределены равномерно по всему телу; об изображении не может быть речи. Фиг. 32, в - пример примитивного решения оптической задачи, когда свет воспринимается зрительным углублением, получается нечто вроде уха; при помощи такого устройства можно приблизительно определить направление светящегося тела, но не больше. На фиг. 32, г мы видим более совершенное решение задачи - живую камеру-обскуру с маленьким отверстием р и внутренней светочувствительной полостью r у моллюска. Четыре последних примера на фиг. 32, д, е, ж, з относятся к последовательно совершенствующемуся разрешению оптической задачи с применением линзы. Сначала, у скорпиона, это еще очень грубый инструмент: вместо линзы шар, близко подходящий к чувствительному слою r. Это напоминает стеклянные шары, которыми, по преданию, в древности пользовались как зажигательным стеклом, или микроскоп Левенгука с "линзами" из капелек меда. На фиг. 32, с, ж, з перед нами постепенный переход к глазу, похожему на человеческий глаз, у улитки, головоногих, позвоночных. При этом у различных позвоночных задача решается вовсе неодинаково.

Фиг. 32. различные способы зрительного восприятия в животном мире

а - одноклеточный организм Pouchetia cornuta б - светочувствительные клетки, расположенные по всей коже дождевого червя в - зрительный орган в виде углубления у ракушки Patella г - глаз в виде камеры-обскуры у моллюсков д - глаз скорпиона Euscorpine с концентрирующей линзой; е - глаз улитки Muresc,  ж - глаз, дающий изображении у головоногого Loliga, з - глаз позвоночного. с - кутикула, е - эпителий, l - линза, n - нервные волокна, р - зрачок, r - сетчатка, s - внутренняя прозрачная среда

На фиг. 33 мы видим примеры разрезов глаз нескольких позвоночных, ночных животных (опоссума, мыши, рыси) и дневных (пумы, собаки, верблюда, человека, голубя, хамелеона). Без пояснений видно, что задача оптически решается с большими вариациями.

Фиг. 33. Разрез глаз различных позвоночных

Очень интересны и поучительны с точки зрения приспособления живого организма к среде особенности глаз рыб, живущих на больших глубинах, куда почти не проникает солнечный свет. Казалось бы, что здесь рыбы должны быть просто безглазыми; надобности в глазах нет. В действительности это не так. Большинство глубоководных рыб имеет глаза, и притом (относительно) самые большие в мире позвоночных. Глаза их при этом (или в значительной мере поэтому), по-видимому, самые чувствительные в животном мире. Как же согласовать этот факт с отсутствием света на глубине? Ответ состоит прежде всего в том, что слабые следы солнечного света все же проникают и на значительные морские глубины. Преимущества же зрительного восприятия при отыскании пищи, размножении и борьбе за существование таковы, что много выгоднее повышать чувствительность глаза к свету, чем по "линии наименьшего сопротивления" - обрекать глаз на отмирание.

Но не только слабые следы света, проникающего в морские глубины, объясняют наличие глаз у существ, живущих там. Глубоководные морские рыбы сами способны производить свет, немного освещать окружающее и становиться видимыми для других зрячих животных. Поэтому у них развиваются люминесцирующие органы, помещающиеся около глаз или на других местах тела. На фиг. 34 изображены рыбы Photoblepharon palpebratus и Anomalops katoptron, у которых рядом с глазом расположена светящаяся ткань (выделенная на рисунке пунктиром). Свечение этой ткани происходит за счет окисления и служит маленьким маяком для рыб, освещая им путь и встречные тела. Такой маяк может быть, однако, и опасным для рыбы, обнаруживая ее врагу. Поэтому у обеих изображенных на рисунке рыб имеются приспособления вроде век для скрытия люминесцирующего маяка в случае надобности. У первой рыбы это производится выдвижением особого темного щитка, у второй сама светящаяся ткань может вдвигаться в особую защитную камеру (см. фиг. 34, в). "Люминесцентные лампы" у глубоководных рыб совсем не редкость. Такими устройствами обладает более 90% всех рыб, живущих на больших глубинах.

Фиг. 34. Рыбы со светоносными органами, связанными с глазами

а - Photoblepharon palpebratus,
б - его голова в профиле и в разрезе, показывающем светопроизводящий орган и экран, его закрывающий;
в - голова Anomalops katoptron, профиль и разрез. Видно светоносное приспособление и углубление, в котором оно может прятаться

В дальнейшем нам придется говорить преимущественно о глазе человека. Это вытекает из основной темы нашей книги, посвященной связи глаза и Солнца; помимо того, только человеческий глаз изучен довольно глубоко, хотя многое и в нем еще неясно до сих пор.

Начнем с пространственной задачи. Как получается геометрическое подобие в глазе и как оценивается расстояние глазом? Свет несет с собой только один элемент пространственности - направление лучей, который и должен быть использован светочувствительным органом. Для живого зеленого листа свет не только вестник окружающих предметов, а источник его жизни. Лист тянется к Солнцу, солнечные лучи направляют лист. Листья разрастаются в солнечную сторону, располагаются на дереве так, чтобы не загораживать друг другу Солнца. Очень многие растения и цветы поворачиваются вслед за суточным движением Солнца. Подсолнечники, засеянные на больших площадях, все, как по команде, следуют за положением Солнца на небосводе. Такое стремление к свету, фототропизм (иногда отрицательный), проявляется, помимо растений, у многих бактерий, инфузорий и других простейших организмов. Эта реакция на свет, на направление его лучей и энергию может рассматриваться как примитивная форма зрения.

У некоторых насекомых имеются следующие приспособления для оценки направления лучей и получения зрительных образов (фиг. 35). На сетчатой оболочке, образованной нервными окончаниями, расположены, как мозаика, мелкие конусы (наподобие сотов). Стенки этих конусов покрыты темным окрашенным веществом, поглощающим свет так же, как поглощает его черный матовый лак внутренних стенок зрительной трубы. На дно такой конусообразной ячейки могут попадать только лучи, ограниченные линиями В и О. На дно другой ячейки попадут лучи из другого участка. В результате на сетчатке получается мозаичное грубое изображение предмета, по которому насекомое может узнавать его формы.
 

Фиг. 35. Схема глаз некоторых насекомых

Как в истории фотографического аппарата человек постепенно перешел от камеры-обскуры к прибору с объективной линзой, так и биологическая эволюция привела от мозаики трубочек к зрительному аппарату с линзой у позвоночных животных.
 

Фиг. 36. Разрез человеческого глаза

 На фиг. 36 дан разрез человеческого глаза. Глаз почти шарообразен, диаметр его у новорожденного около 16 мм, у взрослого - 24 мм; у лошади диаметр глазного яблока достигает 51 мм, у крысы - 6 мм. Снаружи глаз облечен толстой белой оболочкой (склерой); передняя часть ее прозрачна и выпукла (роговица), толщина ее около 0,5 мм. За ней следует передняя глазная камера, отделенная от задней камеры линзой - хрусталиком. Непосредственно перед хрусталиком расположена радужная оболочка с почти круглым отверстием, ограничивающим сечение пучка света, входящего в глаз. Толщина передней камеры и хрусталика около 3,6 мм. Передняя камера наполнена прозрачной жидкостью, задняя - прозрачным стекловидным веществом; показатель преломления обеих близок к показателю преломления воды (1,336).

Внутренняя поверхность склеры покрыта сосудистой оболочкой, которую можно рассматривать как разветвление кровеносных сосудов, питающих глаз. На внутренней поверхности сосудистой оболочки расположена светочувствительная сетчатая оболочка (ретина). Она состоит из двух слоев: наружного, или пигментного, и внутреннего, или нервного, и представляет собой разрастание зрительного нерва.

Прозрачный хрусталик имеет слоистую структуру. Посредством мускулов у радужной оболочки выпуклость хрусталика может изменяться; наибольший показатель преломления в слоях хрусталика 1,41. Изображение в глазе получается на сетчатке так же, как на фотографической пластинке в камере. Способность изменять выпуклость хрусталика (аккомодация) дает возможность устанавливать глаз "на фокус" так, чтобы на сетчатке получалось отчетливое изображение. В детском возрасте удается видеть отчетливо предмет начиная с расстояния в 7-10 см от глаза. Нормальный глаз взрослого человека начинает видеть отчетливо только примерно с 14 см. В старости обыкновенно аккомодационная способность чрезвычайно слабеет.

Недостатки глаза (близорукость и дальнозоркость) можно исправлять искусственными стеклянными линзами - очками, рассеивающими или собирательными. Правильность изображения на сетчатке далека от совершенства. Верная передача достигается только в том случае, если изображение невелико и лежит на оси глаза. Впрочем, так называемая сферическая аберрация в человеческом глазе довольно хорошо исправлена. Этому способствует особенно то обстоятельство, что хрусталик плотнее в середине, чем во внешних слоях.

Улучшению качества изображения помогает сужение входного отверстия, определяемого радужной оболочкой. Это легко может быть проверено людьми, страдающими дальнозоркостью. При ярком освещении они более четко и ясно видят предметы на небольшом расстоянии (25-40 см). При этом, как известно, отверстие глазного зрачка суживается и, следовательно, уменьшается угол раскрытия лучей, попадающих в глаз. С другой стороны, дальнозоркий человек может прочесть сравнительно мелкую печать на небольшом расстоянии без очков, если будет смотреть сквозь узкое отверстие, оставляемое рукой, сложенной в кулак и прижатой к глазу.

Указанные недостатки в известной мере компенсируются возможностью легкого поворота глаза в глазной впадине. Глаз можно поворачивать больше чем на 80° в вертикальном и горизонтальном направлениях, быстро обегая, таким образом, все точки рассматриваемого большого предмета. Приблизительно плоская картина на сетчатке дает не только представление о его форме, но и о размерах и расстоянии, даже если смотреть одним глазом. Объяснить это можно тем, что в наших предыдущих наблюдениях мы оцениваем расстояния и размеры окружающих предметов, смотря двумя глазами, и к ним относим данное наблюдение одним глазом; определить расстояние и размеры позволяют прежний опыт и привычка. Имеет значение, несомненно, также аккомодация хрусталика, степень натяжения которого мы бессознательно чувствуем и по ней оцениваем пространство.

Сушественную роль надо также приписать бессознательному движению глаза. За короткий промежуток времени получается ряд картин предмета с разных точек зрения, сопоставление которых дает возможность произвести пространственную оценку.

Достоверность пространственных впечатлений при зрении одним глазом, однако, невелика. Возьмите в обе руки по карандашу, закройте один глаз и попробуйте свести карандаши остриями встык. В большинстве случаев это сразу не удается. Наоборот, смотря обоими глазами, мы никогда не ошибемся в этом опыте. Направляя оси обоих глаз на данный предмет, мы устанавливаем их под определенным углом (фиг. 37).
 

Фиг. 37. Зрение двумя глазами

Инстинктивная оценка этого угла и служит мерой расстояния в довольно широких пределах. Очень важно принять во внимание, что в наших субъективных зрительных впечатлениях и образах громадную роль играет ясно нами не сознаваемая работа мозга, внесящая очень большие коррективы в непосредственное физическое изображение на сетчатке. Одно из наиболее существенных проявлений этого вмешательства мозга - выпрямление изображений на сетчатках глаз; в действительности эти изображения, получаемые при помощи хрусталика, обратные. Корректирующая роль мозга очень велика при пространственных восприятиях.
 

Фиг. 38. Перспективное восприятие 12 линий в верхней части рисунка кажутся лежащими в одной плоскости. Составленный их параллельным перемещением рисунок куба внизу воспринимается как пространственный образ

На фиг. 38 наверху даны линейные элементы простейшего графического изображения куба, внизу из этих элементов построен куб, и мы сразу получаем пространственную картину. Это, конечно, результат работы мозга. На этом основана возможность правильных перспективных изображений в живописи. Для того чтобы предмет казался нам более удаленным, его надо написать в соответственно уменьшенном размере. Если один человек предполагается стоящим вдвое дальше от воображаемого зрителя картины, то он должен быть написан вдвое меньшим. В то же время изображенные таким образом два человека субъективно кажутся нам одинакового роста, перспективное уменьшение дает лишь возможность воспринимать одного из них находящимся на расстоянии вдвое большем.

На фиг. 39 представлены результаты опытов Гальвея и Боринга по вопросу о зависимости видимого размера предмета от его расстояния. Предметом служил светящийся диск, угловые размеры которого все время оставались постоянными, расстояние же от наблюдателя менялось в пределах от 3 до 36 м. Видимый размер сравнивался с другим светящимся диском, находившимся на постоянном расстоянии в 3 м. Диаметр этого диска менялся измеримым образом так, чтобы он как раз равнялся первому наблюдаемому диску.

Если бы мозг не вносил никаких автоматических поправок в размеры изображения на сетчатке, то, ввиду того, что угловые размеры первого диска оставались всегда постоянными, следовало бы ожидать, что на фиг. 39, на которой по оси абсцисс отложено расстояние в метрах, а по ординатам - воспринимаемый нами размер в сантиметрах, мы получим неизменную прямую, параллельную оси абсцисс (она нанесена штриховой линией).

В действительности получается совсем иное. При наблюдении последовательно сразу двумя глазами, одним глазом и через длинную тонкую трубку получаются наклонные прямые. Этот наклон уменьшается по мере устранения видимости окружающих предметов.
 

Фиг. 39. Опыт Гальвея и Боринга

Описанный опыт в количественной форме соответствует всем хорошо известному факту, что размеры предметов, находящихся недалеко от нас, несмотря на их движение и удаление, кажутся не меняющимися по размеру. Только в отношении очень далеких фигур и предметов мы ясно замечаем, что они становятся маленькими. Это легко видно, если смотреть вниз с высокой башни.

Очень большое значение для внесения указанных мозговых поправок в физическое изображение предметов на сетчатке имеет окружающее. Если его устранить, то мы начинаем приближаться к чисто физическому результату, как видно из рисунка. Таким образом, воспринимаемое мозгом изображение не есть простое физическое изображение, оно осложнено не сознаваемыми нами коррективами мозга. Это обстоятельство имеет, конечно, большой биологический смысл. Живое существо нуждается в правильном представлении об окружающих предметах, а не в правильных оптических изображениях.

На фиг. 40 дана фотография лежащего человека, снятая с близкого расстояния. Оптически здесь все правильно, но снимок кажется нам нелепой карикатурой, так как подметки с гвоздями составляют основу картины. Этот снимок свидетельствует, конечно, о ненамеренной или намеренной неопытности фотографа, но оптически он правилен. Если бы мозг не вносил поправок в работу глаза, нас постоянно преследовали бы подобные карикатуры.

Фиг. 40. Фотография лежащего человека. Пример расхождения оптической и мозговой правильности

Но мозговое корректирование может приводить и к ошибкам и обманам зрения. Автору этой книги много раз приходилось переживать весьма грубые пространственные ошибки. Один раз маленькая красная сигнальная жестяная пластинка, висевшая вблизи на трамвайных проводах, показалась красным флагом огромных размеров по той причине, что красная пластинка была мысленно ошибочно отнесена к шпилю на удаленном доме в конце улицы. Другой раз в течение короткого мгновения кошка была видна величиной с корову; показалось, будто эта кошка идет по удаленному забору; на самом деле она шествовала по крыше, около окна, через которое ее было видно. Получилась приблизительно двадцатикратная ошибка в оценке расстояния.

Солнце и месяц на горизонте кажутся огромными, в зените - маленькими. Перед нами снова, несомненно, зрительная ошибка, притом свойственная всем людям *. 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.

* Если Солнце пли Луну фотографировать на горизонте и в зените, они оказываются одного и того же размера и тут и там.

Психологические причины вносят ошибки не только в пространственные образы, но и для плоских фигур. На фиг. 41 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.

Фиг. 41. Обманы зрения

На фиг. 42 начерчен правильный квадрат. Штриховка в одном из углов создает резкое впечатление перекошенности квадрата. На фиг. 43, на пестром поле, прочерчены прерывистые, строго концентрические окружности. Между тем мы получаем полное и зрительно неустранимое впечатление нарисованной спирали. Убедиться в том, что это не так, можно, только прибегнув к циркулю.

Фиг. 42. Обманы зрения
 

Фиг. 43. Обманы зрения

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 свегом 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 фиг. 44 дана схема поперечного разреза через сетчатку.
 

Фиг. 44. Схема разреза через сетчатку человеческого глаза Стрелка показывает направление света, падающего на сетчатку

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 поверх нести сетчатки далеко не равномерна. Число колбочек и палочек очень велико (около 7 млн. колбочек и более 100 млн. палочек). На фиг. 45 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 m, колбочек - около 6 m.

Фиг. 45. Распределение палочек и колбочек на сетчатке по Остербергу

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 (фиг. 46), 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).

Фиг. 46. Рисунок Марпотта 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 mm. Только при сравнительно мощном излучении удается видеть ультрафиолетовые лучи в интервале приблизительно от 400 до 300 mm и инфракрасные - от 750 до 950 mm, 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 малой 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 малой 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 малой калории в секунду была сосредоточена в области зеленого цвета с длиной волны 556 mm (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.

При работе с 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 16. На фиг. 47 приводится ход изменения диаметра зрачка по мере увеличения яркости. По оси абсцисс отложен логарифм яркости, по ординатам - диаметр зрачка. -

Фиг. 47 (слева). Изменение диаметра зрачка глаза при увеличении яркости

Фиг. 48. Изменение диаметра зрачка со временем после перехода из хорошо освещенного помещения в темноту

На фиг. 48 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 mm цифрой около 5Х10^-18 малой 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 (2Х10^-7) малой калории в секунду на 1 кв. см в видимых лучах. Для того чтобы от нее доходило до глаза 5Х10^-18 малой 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. фиг. 44) 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, у обезьян), по-видимому, миграции пигмента не происходит. Впрочем, этот вопрос еще не выяснен окончательно.

Мы говорили выше, что отверстие радужной оболочки сжимается при возрастании освещенности, но при некоторых болезнях, а также при впрыскивании различных веществ в организм (например, алкалоида из беладонны - атропина. - V.V.) 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 5Х10^-18 калорий в секунду (для длины волны 500 mm) 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.

Фиг. 49. Схема наблюдения квантовых флуктуаций света

Пользуясь этим, можно глазом обнаружить прерывное, квантовое строение света. Представим себе, что мы смотрим на маленькое, слабо светящееся пятнышко А (фиг. 49), 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.

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 (см. фиг. 49), 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. фиг. 49). 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 (не путать с ожогом глаз ультрафиолетовой составляющей излучения дуги - V.V.). 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.
 

Фиг. 50. Скорость чтения в зависимости от освещенности

На фиг. 50 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 * возрастание прекращается. Это - очень важное обстоятельство, которое приходится принимать во внимание при освещении рабочих помещений, комнат и пр.

* Люкс - освещенность, получаемая от одной свечи на расстоянии в один метр.

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.

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 рядом поставленных белых поверхностей (фиг. 51). 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.
 

Фиг. 51. Схема фотометра

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.

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 табл. 2 приведены значения этого процентного прироста для разных сил света (в свечах) для желтого света с длиной волны 605 mm.

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 больших 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 - 20000 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.

Фиг. 52. "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 (фиг. 52). 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 mm), кривая круто и почти симметрично спадает в обе стороны. Ультрафиолетовые лучи с длинными волнами (примерно 360 mm) можно видеть, если интенсивность их велика. Цвет их фиолетовый. Можно видеть, правда очень слабо, и лучи с более короткими волнами, приблизительно до 300 mm. 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 mm, более короткие волны задерживаются слоем озона в атмосфере. Биологически существование глаза, приспособленного к восприятию лучей с волнами короче 290 mm, 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 mm.

Самая сетчатка человеческого глаза, как это доказано, обладает довольно большой чувствительностью к лучам с волнами короче 400 mm (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 mm. Заметно задерживая синие и фиолетовые лучи, хрусталик тем самым способствует уменьшению хроматической аберрации в глазе, делающей изображение нерезким.

Приведенные причины биологически вполне объясняют практическое прекращение видимости света со стороны коротких волн (около 400 mm).

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 (см. выше), что максимум излучения человеческого тела соответствует 9-10 m, 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 m? 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 m. 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 m.

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 разные толщи атмосферы, которая рассеивает и поглощает эти лучи различным образом для разных длин волн. На это мы уже указывали в главе о Солнце. На фиг. 53 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. На фиг. 54 приведена средняя годичная кривая распределения энергии полуденного Солнца (верхняя кривая). Разумеется, для глаза важна именно такая усредненная кривая.
 

Фиг. 53. Распределение энергии в спектре Солнца при различных высотах над горизонтом

Фиг. 54. Средняя годичная кривая распределения энергии полуденного Солнца для средних широт (верхняя кривая):

I - кривая дневной видности; II - кривая сумеречной видности; III - кривая поглощения хлорофилла

Из кривой явствует, что для "среднего" Солнца энергия в области 450-650 mm распределена почти равномерно, но она резко падает в сторону более коротких и длинных волн. Иначе говоря, кривая видности, отмеченная на фиг. 54 заштрихованной площадью /, 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 m 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 суметь различить 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 яркости и 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.

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.

Следует заметить, что кривая видности для денного зрения почти совпадает со средней кривой распределения энергии солнечного света, отражаемого и рассеиваемого зелеными растениями. Это обстоятельство, конечно, весьма выгодно для существа, живущего среди растений и в значительной мере питающегося ими.

Перед нами пример удачного приспособления глаза к реальным условиям жизни на Земле и доказательство действительного родства глаза и Солнца.

При очень слабых освещенностях кривая видности довольно резко изменяется. На фиг. 52 и 54 слева дана кривая видности для слабых освещений: мы замечаем, что она значительно сдвинута в синюю область спектра сравнительно с кривой для ярких освещений. Физиологи дают такое объяснение этой особенности сумеречного зрения. В сетчатке, как мы видели, есть два вида светочувствительных элементов - колбочки и палочки. В денном зрении главную роль играют колбочки, но чувствительность их невелика; при ослаблении света они перестают действовать, и на сцену выступают палочки с другой кривой видности. С этой точки зрения кривая I на фиг. 54 соответствует "денным" колбочкам, а кривая // - "ночным" палочкам.

Если денная кривая видности есть итог приспособления глаза к солнечному свету, рассеянному атмосферой, зеленью и пр., то, казалось бы, мы вправе ожидать, что "ночная" кривая приспособлена к ночному небу. Свечение ночного неба (если на нем нет Луны, рассеивающей прямой солнечный свет) слагается из света звезд, из ничтожного рассеяния солнечных лучей, даже глубокой ночью слегка проникающих в атмосферу, и, наконец, из собственного свечения неба, составляющего значительную часть общего свечения. Это собственное свечение неба объясняется излучением атомов кислорода и азота в верхних слоях атмосферы. Спектр ночного свечения неба линейчатый, в особенности ярка зеленая линия с длиной волны 558 mm. Собственное свечение неба достигает максимума около полуночи. Однако в вопросе о приспособленности "ночной" кривой видности к ночному небу до сего времени остаются некоторые трудности. Измерения суммарного распределения энергии света от звезд и от свечения неба еще недостаточны. По опытам П.П. Феофилова, произведенным зимою 1941 г., суммарное распределение энергии ночного неба оказалось эквивалентным черному излучателю с температурой 4000°, т. е. было краснее, а не синее, как ожидалось. Измерения эти не могут, однако, считаться общезначимыми, они должны быть повторены и расширены на разные места Земли и времена года. Кроме того, еще раз важно подчеркнуть, что для глаза в трудных ночных условиях еще более, чем в денных, важно не само зрительное ощущение, а возможность различения окружающих предметов одного от другого. Эти вопросы изучены еще очень мало. Нельзя думать, что перемещение кривой ночного видения в сторону коротких волн случайно. В соответствии со всем ходом развития живого естественно предположить, что указанное перемещение кривой ночной видности способствует увеличению различительной способности глаза в ночных условиях.

В отличие от глаза, который должен видеть, лист растения должен усваивать световую энергию для химических превращений. Это находит свое выражение в спектральном расположении кривой фотохимической чувствительности зеленого растения. На фиг. 54 площадью Ill отмечена основная кривая поглощения зеленого красящего вещества растений - хлорофилла. Ее максимум резко сдвинут по отношению к кривой дневной видности в сторону длинных волн. Насколько это биологически целесообразно, почему в данном случае выгоднее длинные волны?

Вернемся к основному фотохимическому закону, о котором мы говорили в главе о свете (см. выше). Мы видели, что для осуществления химического превращения в молекуле необходимо поглотить один квант hn. Этот квант, конечно, должен по своей энергии превышать некоторую минимальную величину hn_О, требующуюся для химического разложения, иначе реакция не пойдет. Поэтому ясно, что под действием инфракрасных лучей химические процессы маловероятны.

С другой стороны, разложение может быть осуществлено всеми поглощающимися квантами hn, энергия которых больше hn_О. Однако, сколь бы велика ни была энергия кванта, он будет поглощен только одной молекулой и произведет то же, что и квант с относительно малой энергией, но превышающей энергию hn_О. Отсюда ясно, что фотохимически для растения наиболее выгодны кванты с наименьшей энергией (но большей hn_О), т. е. с наибольшей допустимой длиной волны.

Если теперь принять во внимание кривую среднего распределения солнечного света, изображенную на фиг. 54 (верхняя кривая), то очевидно, что в равномерном участке между 450 и 650 mm наиболее выгодно расположить кривую хлорофилла в области 600-700 mm, где она действительно и находится.

Когда фотографу нужно переместить максимум спектральной чувствительности пластинки из одной области в другую, он прокрашивает светочувствительный слой разными органическими красителями - "сенсибилизаторами", получая, таким образом, фотографические слои, особо чувствительные, смотря по надобности, к красным, желтым, зеленым лучам. Совершенно то же, как мы убедились, происходит и в природе, причем сенсибилизаторами служат зрительный пурпур и хлорофилл.

Форма кривой видности имеет огромное значение для осветительной техники. В большинстве искусственных источников света используется излучение при нагревании (свечи, керосиновые лампы, лампочки накаливания и т. д.); в этом излучении только часть лучей видима, остальные бесследно пропадают для глаза. Если повышать температуру тела с черной поверхностью, то все большие порции лучистой энергии переходят из инфракрасной области в видимую, источник света становится выгоднее. Однако так будет продолжаться не всегда. При повышении температуры одновременно часть лучистой энергии перекочевывает в невидимую ультрафиолетовую область. Теоретически возможно достигнуть таких температур, когда огромная часть лучистой энергии перейдет в невидимую область ультрафиолетовых и рентгеновых лучей. Значит, существует некоторая наивыгоднейшая для глаза температура накала источника света. Какова она?

В табл. 3 указан процент лучистой энергии, проявляющейся как видимый свет для разных температур.

Мы видим, что наивыгоднейшей температурой будет 6000°, когда половина всей энергии превращается в видимый свет. Но это температура Солнца! Какая же связь имеется между излучением Солнца, черным телом и глазом? Не случайность ли найденное совпадение? После того, что мы узнали о свете, Солнце и глазе, после того, как для нас становится несомненным, что глаз развился вследствие существования Солнца, в известном смысле для Солнца и под действием Солнца, найденная связь становится вполне естественной и необходимой. И Солнце, и светящееся черное тело наблюдаются одним и тем же глазом. Но глаз приспособился к Солнцу, поэтому для него подобие спектра искусственного источника спектру Солнца есть наиболее совершенное решение задачи.

Как же разбирается глаз в спектральном составе света? Пока мы убедились только, что глаз совершенно не чувствует большинства спектральных областей, а в видимой области одни лучи кажутся ему ярче, другие слабее. Подберем яркости красного и синего света примерно одинаковыми; мы знаем, что глаз безошибочно тем не менее отличит одни лучи от других. Значит, помимо величины ощущения, глаз имеет и другую возможность разбираться в спектральном составе света. В солнечном спектре глаз различает семь радужных цветов и оттенки, число которых колеблется для разных наблюдателей до нескольких сот.

Для того чтобы точно выразить способность глаза к различению цветов, можно поступить следующим образом. Будем сравнивать два соседних участка непрерывного спектра и наблюдать, на сколько миллимикронов можно изменить одну из сравниваемых областей, прежде чем глаз заметит разницу в окраске. Эта наибольшая разность длин волн в миллимикронах и может характеризовать способность различения в данной спектральной области.

Фиг. 55. Кривая спектральной различительной способности глаза

На фиг. 55 дана кривая различительной способности глаза, полученная таким способом. По горизонтальной оси нанесены длины волн, а по вертикальной - наибольшие допустимые разности длин волн, при которых глаз еще не замечает разности в окраске. Кривая имеет очень сложный вид. Она все же дает некоторое обоснование нашему субъективному делению спектра на радужные цвета. Все минимумы и максимумы этой кривой можно рассматривать как своего рода знаки границ между радужными цветами. Таким образом, около 445 mm находится граница между фиолетовым и синим, у 460 mm - граница между синим и голубым, у 500 mm - между голубым и зеленым, у 540 mm - между зеленым и желтым, у 600 mm - между желтым и оранжевым. Далее, в красную область, измерения не проводились.

Способностью различать цвета обладают только колбочки; при сумеречном зрении палочками краски в спектре исчезают, все кажется белесоватым. По отсутствию колбочек в сетчатке глаз сов, ночных мышей и рыб можно думать, что они не обладают цветным зрением. Мир кажется им как однотонный фотографический снимок - сочетание белого и черного. Человеческий глаз имеет два разных светочувствительных аппарата. Один подобен цветной фотографии, мало чувствителен и применяется днем, другой - сумеречный или ночной, похож на однотонную, но зато крайне чувствительную обыкновенную фотографию.

Способность глаза различать цвета не может, впрочем, соперничать со спектральным анализом. Если свет пространственно разложен на простые лучи, то по разности окраски глаз довольно резко отличает одни лучи от других. Но глаз нетрудно обмануть. Можно воспроизвести любой спектральный чистый цвет, смешав три других простых цвета, например красный, зеленый и фиолетовый, в разных пропорциях. На этом основаны простейшие цветные фотографии и кино.

С окрашенного предмета делают три обыкновенных снимка через цветные стекла (светофильтры) - красное, зеленое и фиолетовое. Все три негатива имеют обычный вид; с них получают фотографические отпечатки на стекле (диапозитивы). Разница трех диапозитивов в том, что на один действовали преимущественно красные лучи, на другой - зеленые, на третий - фиолетовые; поэтому светотень распределяется на снимках по-разному. Диапозитивы окрашивают в цвет того стекла, через которое они были сняты.

Если теперь навести световые пучки трех проекционных фонарей на одно место экрана и вставить в фонари прокрашенные диапозитивы, то красное, зеленое и фиолетовое изображения наложатся друг на друга, в результате чего на экране появится снятый предмет во всех натуральных цветах. Из трех цветов получатся все остальные.

Если, например, одна часть снимаемого предмета была белой, то от нее в аппарат пройдут лучи через все три стекла. Поэтому при сложении цветов на экране в этом месте будут накладываться друг на друга красный, зеленый и фиолетовый цвета; вместе они дают для глаза белую окраску.

Если часть предмета была желтой, то лучи от нее пройдут через красное и зеленое стекла, но не пройдут через синее, на синем диапозитиве в этом месте будет черное пятно, не пропускающее света. В итоге на экран попадут только красный и зеленый цвета, которые вместе для глаза создают впечатление желтого и т. д.

Современная цветная фотография по своей технике много сложнее описанного простого приема. Однако во всех так называемых "аддитивных" методах мы имеем по существу тот же принцип *.

* Цветная фотография правильно передает впечатление только "дневного" глаза. При слабом свете, например ночью при Луне, для нас окраска предметов становится существенно иной вследствие того, что кривая сумеречного зрения сдвинута в сторону коротких волн, и, кроме того, потому, что цветные восприятия при сумеречном зрении исчезают. Сама Луна кажется нам, например, светящейся зеленоватым светом, между тем распределение энергии в спектре лунного света почти то же, что и у Солнца. Если при помощи очень светосильной фотографической камеры снять обычными методами цветную фотографию с пейзажа, освещенного Луной, то мы, вероятно, получим обычную картину с привычной денной раскраской, между тем действительная зрительная картина совсем иная.

Для того чтобы получить любой цвет спектра, вообще говоря, нужны три простых цвета в разных пропорциях. Но эти же три цвета вместе могут создавать и окраски, которых в спектре нет, например белую и пурпуровую. Если подмешивать к простому цвету, положим красному, белый, то окраска остается красной, но она становится все более и более разбавленной, уменьшается ее насыщенность. Следовательно, из одного простого красного цвета можно получить бесконечное разнообразие красных цветов в разной насыщенности - от чисто красного до белого. Вообще любая окраска для глаза характеризуется тремя признаками: яркостью, цветностью и насыщенностью. Таким образом, разнообразие окрасок, видимых человеком, бесконечно больше, чем число цветов видимого спектра. Глаз с этой точки зрения - очень мало пригодный прибор для спектрального анализа света.

В военном деле для маскировки орудий, окопов и пр. от глаз неприятеля применяется окраска под цвет почвы, травы и т. д. Несмотря на значительную спектральную разницу света, отраженного от маскированного предмета и окружающего фона, человеческий глаз легко может быть введен в заблуждение; только спектроскоп в состоянии вскрыть обман. В животном мире маскировка, приспособление животного под цвет местности, чрезвычайно распространена; многие насекомые имеют зеленый цвет листьев и травы, зайцы меняют шерсть, приспособляясь зимой к белому снежному покрову, а летом к бурому тону почвы и т. д. Весьма замечательно, что очень часто цвет маскированного животного не только на взгляд, для глаза, имеет окраску окружающего, но совпадает с нею и по спектральному составу. Эта совершенная защита заставляет подозревать, что, может быть, качества глаз некоторых животных, врагов тех, которые маскируются от их взгляда, несколько совершеннее, чем у человека.

Несовершенство глаза как спектроскопа вполне понятно. Физику удается разложить сложный свет на простой только пространственным разделением входящих в него простых лучей путем применения призм и других приборов *.

* Самый простой спектроскоп можно было бы построить так. Нарисуем на белой бумаге радужный спектр красками, которые рассеивают только очень узкий участок длин волн, поглощая все остальное. Заметим, что приготовить такие краски очень трудно. Если осветить нарисованную указанным образом радужную полосу, например, светом ртутной лампы, то мы увидим на бумаге грубое изображение ртутного спектра. Желтая линия ртути будет рассеиваться только желтым участком нарисованной полосы. зеленая - зеленым, синяя - синим и т. д. Свет ртути разложится на спектр. Подобный спектроскоп, конечно, всегда будет очень грубым; его преимущество в том, что не требуется никаких щелей и призм. Вместо нарисованного спектра, конечно, можно приготовить набор узких прозрачных окрашенных пленок. составляющих вместе спектр. Свет от источника, пущенный через такой спектральный набор пленок, будет давать на экране грубый спектр.

Оценить спектральный состав без пространственного разделения лучей можно только очень грубо, по особенным действиям отдельных спектральных участков на вещество. Например, красные лучи на фотографическую пластинку действуют слабо, синие - сильно. Приходится поистине поражаться тому, что каждый простой цвет вызывает в глазе свое особенное действие, независимо от энергии, хотя никакого пространственного распределения лучей нет. В наших искусственных приборах всегда можно имитировать действие одних лучей действием других, подобрав энергию, если только исследуются непрерывные спектры. Как достигается такое высокое совершенство в сетчатке глаза, мы достоверно до сих пор не знаем.

Предполагается, что в сетчатке имеется три различных вида светочувствительных элементов, каждый со своей особенной широкой полосой возбуждения (фиг. 56). Если, например, падает красный цвет, то затрагиваются все три элемента, все они поглощают красный цвет, но в разной степени. Глаз чувствует эту разницу, что и сопровождается ощущением красного цвета. Зеленый цвет также возбуждает все три элемента, но в иных отношениях, чем красный, и т. д. Ощущение суммы возбуждений во всех трех элементах соответствует яркости падающего света, а ощущение отношений возбуждений в трех разных элементах - ощущению цвета. Если бы остался только один элемент, то об отношениях не имело бы смысла говорить, не было бы ощущения цвета, хотя впечатление яркости оставалось бы по-прежнему. Такое представление хорошо объясняет возможность сложения любого цвета из трех других, случаи цветовой слепоты (дальтонизм и др.), когда глаз теряет ощущение цветности в некоторых участках спектра, и т. д. Но до сих пор эта теория не получила безукоризненного анатомического подтверждения.

Фиг. 56. Кривые трех "основных возбуждении".
По оси ординат - чувствительность в относительных единицах

Обладание цветовым зрением необычайно повышает ценность зрительных восприятий. Цветовое зрение дает возможность очень быстро и по-новому различать предметы. Представим себе, что цветовых восприятий нет, что мы судим о различии предметов, как по обычной фотографии, только по количеству рассеиваемого света. При этом две поверхности, например желтая и зеленая, фотометрически равные, казались бы неразличимыми, картина окружающего мира сразу обеднела бы подробностями. Кроме того, цветовые различия воспринимаются чрезвычайно быстро, в то время как для установления небольших отличий в яркости (тем более отдаленных друг от друга предметов) требуется длительное время и даже количественные измерения. Мы не говорим уже о чисто художественном элементе цветового восприятия.

Ввиду этих громадных преимуществ цветового восприятия очень полезно перенести цветность даже в такие области, где она, казалась бы, исключена по самому существу, например при изучении предметов в невидимых ультрафиолетовых или инфракрасных лучах. Между тем это вполне возможно, как это в микроскопии показал Е. М. Брумберг.

Предположим, что мы фотографируем под микроскопом некоторый препарат в ультрафиолетовых лучах. Сделаем три снимка в различных трех волнах, позаботившись о том, чтобы все они были одинакового масштаба. Фотографии, полученные в трех ультрафиолетовых волнах, будут вообще разные, так как различные волны поглощаются сильнее или слабее. Поступим теперь с тремя полученными "черными" фотографиями точно так же, как при цветном фотографировании (см. выше). Спроектируем их через различные цветные стекла, например красное, зеленое и фиолетовое, при помощи фонарей на один и тот же экран и совместим три изображения. Мы получим цветную фотографию от объекта, снятого в невидимых лучах. Конечно, в данном случае - это искусственная фотография. Можно пользоваться различными цветными стеклами и получать различные цветные фотографии. Такие искусственные цветные фотографии с объектов, снятых в невидимых лучах, имеют очень большие практические преимущества. Они позволяют быстро открывать в предмете детали, оставшиеся ранее скрытыми, и производить качественный химический анализ.

Разумеется, тот же метод можно из области микроскопии перенести на все виды фотографирования в невидимых лучах. Экспериментатор при этом правильно подражает природе, в которой существует этот удивительный способ зрительных восприятий.

* * *

Наши довольно путаные странствования по различным областям знания подошли к концу. При помощи главным образом физики, астрономии и биологии мы, наконец, начали понимать истинный характер неоспоримого родства глаза и Солнца.

Эта связь почти такая же, как между фотографическим аппаратом и источником света, в лучах которого производится съемка. Конечно, в большинстве случаев снимают не источник света, а освещаемый им предмет, но предмет можно снять только потому, что он рассеивает лучи источника, и потому аппарат должен быть приспособлен к этим лучам. Его объектив должен их пропускать и давать в этих лучах правильное изображение, фотографическая пластинка должна обладать хорошей чувствительностью в нужной области спектра, в аппараге неизбежна диафрагма, позволяющая приспособляться к разным условиям освещения. В зависимости от величины освещенности нужно пользоваться пластинками разной чувствительности. Всем этим обладает глаз, приспособившийся к Солнцу как источнику света. Хрусталик глаза пропускает лучи Солнца, невредные для организма, к сетчатке и дает в солнечных волнах хорошее изображение. Сетчатка глаза весьма чувствительна, но для дневных условий эта чувствительность очень сильно искусственно понижается, а для ночных снова возрастает. Глаз располагает диафрагмой, автоматически (в зависимости от освещенности) меняющейся в широких пределах. Спектральная чувствительность глаза попадает в максимум спектральной кривой энергии Солнца.

Все это результат приспособления глаза к солнечному свету на Земле.

Глаз нельзя понять, не зная Солнца. Наоборот, по свойствам Солнца можно в общих чертах теоретически наметить особенности глаза, какими они должны быть, не зная их наперед. Вот почему глаз - солнечен, по словам поэта.