Глаз

Глаз

Глаз обязан бытием своим свету. Из безучастных животных вспомогательных органов свет вызывает орган, который стал бы ему подобным; так образуется глаз на 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 дается 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.

Рис. 16

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 Euscorpins с концентрирующей линзой; е – глаз улитки Murex; ж – глаз, дающий изображения у головоногого Loliga; з – глаз позвоночного: с – кутикула; е – эпителий; l – линза; n – нервные волокна; p – зрачок; r – сетчатка; s – внутренняя прозрачная среда

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

Но как мог возникнуть вспомогательный живой орган, решающий оптические трудности иногда с бо?льшим 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 мира 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.

Рис. 17

Разрез глаз различных позвоночных

В бесчисленном разнообразии живого перед нами – всевозможные решения оптической задачи; все они не совершенны, но во всех немало целесообразного и, с точки зрения человека, «остроумного».

На рисунке 16 сопоставлены некоторые примеры различных способов решения задачи о глазе, о «приборе» для зрительного восприятия внешнего мира. На рисунке 16 а – пример «глаза» в одноклеточном организме. Перед чувствительным веществом помещается шаровидная линза l. 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 рисунке 16 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. Рисунок 16 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 рисунке 16 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 рисунке 16 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 рисунке 16 е, ж, з перед нами постепенный переход к глазу, похожему на человеческий глаз, у улитки, головоногих, позвоночных. При этом у различных позвоночных задача решается вовсе не одинаково. На рисунке 17 мы видим примеры разрезов глаз нескольких позвоночных, ночных животных (опоссума, мыши, рыси) и дневных (кугуара, собаки, верблюда, человека, голубя, хамелеона). Без пояснений видно, что задача оптически решается с большими вариациями.

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 рисунке 18 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 (рис. 18 в). «Люминесцентные лампы» у глубоководных рыб совсем не редкость. Такими устройствами обладают более 90 % всех рыб, живущих на больших глубинах.

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.

Рис. 18

Рыбы со светоносными органами, связанными с глазами: а – Photoblepharon palpebratus; б – его голова в профиле и в разрезе, показывающих светопроизводящий орган и экран, его закрывающий; в – голова Anomalops katoptron, профиль и разрез. Видно светоносное приспособление и углубление, в которое оно может прятаться

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.

Рис. 19

Схема глаз некоторых насекомых

У некоторых насекомых имеются следующие приспособления для оценки направления лучей и получения зрительных образов (рис. 19). 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.

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. На рисунке 20 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).

Рис. 20

Разрез человеческого глаза

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, следует заметить, что 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. Существенную 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.

Рис. 21

Зрение двумя глазами

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 (рис. 21). 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 имеет ясно нами не сознаваемая работа мозга, вносящая 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. На рисунке 22 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 его находящимся на расстоянии вдвое большем.

Рис. 22

Перспективное восприятие. 12 линий на верху рисунка кажутся лежащими в одной плоскости. Составленный их параллельным перемещением рисунок куба внизу воспринимается как пространственный образ

На рисунке 23 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 рисунке 23, на котором 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.

Описанный опыт в количественной форме соответствует всем хорошо известному факту, что размеры предметов, находящихся недалеко от нас, несмотря на их движения 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.

Рис. 23

Опыт Гальвея и Боринга

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.[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 бо?льших 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

Данный текст является ознакомительным фрагментом.