Сергей Вавилов - Глаз и Солнце

• Название: Глаз и Солнце
• Автор: Сергей Вавилов
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2015
• ISBN: 978-5-367-03594-0, 978-5-367-03603-9

Книга «Глаз и Солнце», созданная выдающимся ученым, академиком С. И. Вавиловым (1891–1951), стала классикой научно-популярной литературы. В ней представлена история изучения света, рассказано об устройстве человеческого глаза и свойствах излучения Солнца. Дополняют книгу тексты знаменитого физика Г. Г. Слюсарева, а также суждения мыслителей прошлого – Р. Декарта, Х. Гюйгенса, И. Ньютона, Дж. Беркли, О. Ж. Френеля и И. В. Гёте.

---

На рисунке 32 графически изображены результаты следующего опыта: испытуемого заставляли читать развернутую книгу на расстоянии 25 см; освещенность книги менялась; при этом просили указать, сколько слов прочитывается в минуту при той или иной освещенности. На рисунке по горизонтальной оси отложена освещенность таким образом, что, например, цифра 40 соответствует лампе в 40 свечей, поставленной на расстояние одного метра от книги, по вертикальной оси отложено число прочитанных слов в минуту. Верхняя кривая а соответствует нормальному глазу, нижняя б – глазу, испорченному долгой работой при искусственном освещении. Мы видим, что сначала при возрастании освещенности продуктивность чтения быстро растет, но при 100 люксах[8] возрастание прекращается. Это – очень важное обстоятельство, которое приходится принимать во внимание при освещении рабочих помещений, комнаты и пр.

Многочисленные опыты, произведенные за последние десятилетия светотехниками и врачами, показывают, что производительность различных видов труда заметно повышается, если увеличивать освещенность до 300 и даже 500 люксов. При этом заметного утомления глаза не наблюдается. Это предел, к которому должна стремиться наша светотехника. В большинстве случаев мы еще очень далеки от этого предела. На искусственное освещение еще не обращено то большое внимание, которого оно заслуживает.

Освещенность окружающего в природе и яркость изображений на сетчатке глаза меняются в самых широких пределах в зависимости от времени года и дня, от облачности, от того, какие предметы находятся кругом (зелень, снег). Вывести «оптимальное» среднее для всех живых существ невозможно. Для дневных животных оно одно, для ночных (сов, летучих мышей) совсем другое. Для них свет наших скромных ламп и свечей невыносим. С биологической точки зрения «оптимальная освещенность» должна быть результатом эволюционного приспособления глаза к средней освещенности, создаваемой на Земле Солнцем. Глаз в отношении энергии приспособлен не к самому Солнцу, а к солнечному свету, рассеянному от окружающих тел. Об этом свидетельствуют переменная диафрагма зрачка, изменение чувствительности сетчатки и наиболее удобная яркость.

Рис. 32

Скорость чтения в зависимости от освещенности

Заметим еще следующее. Для утомления глазной сетчатки не столько важна полная энергия, входящая в глаз, сколько энергия, приходящаяся на единицу площади изображения на сетчатке. Чем дальше стоит свеча, тем меньше ее изображение; но «удельная яркость», т. е. яркость на единицу поверхности изображения, остается постоянной в широких пределах при передвижении свечи. Если взглянуть на длинный ряд дуговых светящихся фонарей убегающей вдаль городской улицы, то яркость ближних и дальних фонарей кажется почти одинаковой (свет дальних фонарей несколько ослабляется поглощением в запыленном воздухе). Другое дело, если заставить освещаться какую-нибудь поверхность светом первого, второго, третьего фонаря и т. д., в этом случае мы увидим, что освещенность будет чрезвычайно быстро убывать с увеличением расстояния до фонаря. Малосвечная, тусклая лампа, если на нее смотреть в упор, может крайне утомлять глаз, – изображение волосков лампы на сетчатке будет обладать очень большой «удельной яркостью». Вот почему лампы снабжаются рассеивающими свет колбами и абажурами. Забвением этого объясняются частые жалобы, что современные люминесцентные лампы, имеющие вид узких ярких светящихся трубок, вызывают «боль» в глазах. Избавиться от этого можно просто, поставив перед несколькими лампами рассеивающее матовое или молочное стекло. Можно также спрятать лампы так, чтобы они освещали, но их самих не было видно. Проще всего, конечно, не смотреть прямо на лампы, а только на освещенные ими предметы.

До сих пор мы говорили об абсолютной оценке световой энергии глазом. Оценка эта совершенно качественная: большие яркости мы воспринимаем «болезненно», ничтожные – «неприятной напряженностью», есть яркости для нас «удобные и приятные»; но мы не чувствуем ни изменения величины зрачка, ни изменения чувствительности сетчатки; эти процессы не доходят до сознания, а только они и могли бы служить действительной оценкой яркости. Мы резко замечаем только минимальную величину света (порог раздражения), потому что за нею зрительное впечатление полностью исчезает. Поэтому только наличие порога зрительного ощущения дает возможность иногда использовать глаз в качестве прибора для абсолютных измерений величины энергии света.

Но глаз может сравнивать яркости, судить о том, что светлее и что темнее. Суждение само по себе опять качественное, но им нетрудно воспользоваться для количественных измерений. Положим, что две лампы освещают каждая одну из поставленных рядом белых поверхностей (рис. 33). Одна поверхность кажется темнее, другая светлее. Имеется немало способов ослаблять силу света в точно известное число раз (простейший способ – отодвигание лампы). Изменим расстояние одной из ламп во столько раз, чтобы освещаемая ею поверхность казалась нам одинаковой яркости с соседней. Добившись этого, можно сказать, что одна лампа сильнее другой во столько раз, во сколько потребовалось ослабить ее свет. Если справа, например, стояла свеча, а слева 16-свечная лампа, то последнюю для достижения равенства освещенности придется ослабить в 16 раз (например, отодвинуть на расстояние, в четыре раза большее, чем до свечи). Этот прием называется фотометрированием, а соответствующие приборы фотометрами.

В настоящее время существует множество всякого рода фотометров, основанных на фотографическом, фотохимическом и фотоэлектрическом действии света. Эти приборы дают возможность производить измерения не только в видимом, но также и в инфракрасном и ультрафиолетовом свете, притом с большой точностью. Однако сейчас фотометр для нас интересен главным образом потому, что он позволяет обнаружить важные свойства человеческого глаза.

Рис. 33

Схема фотометра

Насколько тонко может судить глаз о том, что две поверхности освещены одинаково? При какой разнице в освещении он заметит это? Пусть, скажем, две поверхности одинаково освещены тысячесвечными лампами, расположенными на расстоянии 1 м от поверхностей; заметим ли мы разницу, если с одной стороны прибавим одну свечу? Опыт показывает, что нет; надо добавить примерно 20 свечей, чтобы разница освещения стала заметной. Отношение наименьшего заметного прироста освещения к основному освещению будет, стало быть, 20: 1000, т. е. 2 %. В таблице 2 приведены значения этого процентного прироста для разных сил света (в свечах) для желтого света с длиной волны 605 mµ.

Таблица 2

Исходная сила света в 200 000 свечей в таблице приблизительно соответствует освещенности прямым солнечным светом. Мы видим, что глаз лучше всего различает разницу в яркостях примерно при силе света в 5000 свечей; при бо́льших и меньших яркостях эта способность уменьшается и необходимый процентный прирост возрастает. Величина прироста почти постоянна (около 2 %) в пределах 200–20 000 свечей.

Способность различать яркости имеет, конечно, большое значение для живого существа; она позволяет отличить один предмет от другого. Ширина интервала (200–20 000 свечей), где эта способность наиболее развита, приблизительно соответствует тем колебаниям освещенности, вызываемой Солнцем, о которых говорилось выше. Стало быть, способность различать яркости, так же как и абсолютное ощущение яркости глазом, приспособлены к Солнцу, но не к прямому солнечному свету, а к его лучам, рассеянным атмосферой и окружающими предметами.

«Солнечность» глаза, точнее говоря – его приспособление к солнечному свету, яснее всего, однако, сказывается в том, как отвечает глаз на спектральный состав света. Шкала лучей безгранична: со стороны длинных волн она уходит в бесконечность, со стороны коротких волн на границе стоят волны ничтожно малые. Участок видимых волн тонет в этом многообразии. Предположим, что к глазу подводятся лучи с разными длинами волн, но с равной энергией. Инфракрасные лучи глаз совсем не увидит, красные заметит, но слабо, желто-зеленые покажутся ярче всего, фиолетовые будут едва заметны, а ультрафиолетовые почти совсем невидимы.

Рис. 34

«Дневная» и «сумеречная» кривые видности

Возьмем яркость желто-зеленых лучей за единицу и сравним с нею яркости других лучей при одинаковой энергии (практически это сделать нелегко). Таким образом, получится кривая так называемой «видности» лучей (рис. 34). По горизонтальной оси рисунка отложены длины волн, по вертикальной – видность. При значительных яркостях получаются кривые, находящиеся справа; кривая 2 соответствует «среднему» глазу, кривая 3 – случайному отдельному наблюдателю. Мы видим, что максимум находится в желто-зеленой части (556 mµ), кривая круто и почти симметрично спадает в обе стороны. Ультрафиолетовые лучи с длинными волнами (примерно 360 mµ) можно видеть, если интенсивность их велика. Цвет их фиолетовый. Можно видеть, правда очень слабо, и лучи с более короткими волнами, приблизительно до 300 mµ. Такие лучи сильно поглощаются в хрусталике глаза и только в ничтожной доле доходят до сетчатки. Но, поглощаясь, они вызывают голубую флуоресценцию глаза, которую тоже видит сетчатка. Если посмотреть, например, на мощный источник ультрафиолетовых лучей – ртутную кварцевую лампу – через особое черное стекло, задерживающее все видимые лучи и пропускающее ультрафиолетовые, то все окружающее помещение кажется наполненным синеватым туманом, похожим на табачный дым. Этот «дым» флуоресценция глаза, замечаемая сетчаткой.