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.

---

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

Рис. 34

«Дневная» и «сумеречная» кривые видности

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

Нормальные глаза видят только небольшой участок из безграничной области лучей. Чем же определился выбор участка видимости? Вспомним (см. главу «Солнце»), что солнечный спектр для поверхности Земли практически кончается около 290 mµ, более короткие волны задерживаются слоем озона в атмосфере. Биологически существование глаза, приспособленного к восприятию лучей с волнами короче 290 mµ, было бы, разумеется, бесцельным. Но есть и другая причина, заставляющая глаз не только не приспособляться к восприятию ультрафиолетовых лучей, но, наоборот, защищаться от них. Лучи с короткими волнами в большинстве случаев химически разрушают органические вещества и могут убивать живые организмы. На этом основано действие так называемых бактерицидных ртутных ламп в кварцевых трубках или, чаще, в специальном стекле, пропускающем ультрафиолетовые лучи с короткими волнами. Свет таких ламп дезинфицирует помещения больниц, склады продуктов, водопроводную воду и т. д. Он же вызывает искусственный загар, но может и ослепить глаз, если глаз в течение долгого времени подвергался действию ультрафиолетовых лучей с длиной волны около 250 mµ.

Самая сетчатка человеческого глаза, как это доказано, обладает довольно большой чувствительностью к лучам с волнами короче 400 mµ (практической границы видимого спектра), но, оказывается, эти лучи почти не допускаются до сетчатки вследствие того, что хрусталик глаза чрезвычайно сильно их поглощает. Хрусталик не только дает изображение на сетчатке, но и служит предохранительным светофильтром для нее от лучей с короткими волнами, начиная примерно от 400 mµ. Заметно задерживая синие и фиолетовые лучи, хрусталик тем самым способствует уменьшению хроматической аберрации в глаз, делающей изображение нерезким.

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

Перейдем к другой границе видимости со стороны длинных волн. Почему глаз перестает видеть в области инфракрасных лучей? Здесь также можно указать две очень уважительные причины. Представим себе, что глаза стали бы чувствительны к инфракрасным лучам в такой же степени, как к зеленым. Для человека произошло бы нечто трудно вообразимое. Все нагретые тела, как мы говорили, излучают свет; у мало нагретых тел все излучение сосредоточено в инфракрасной части спектра. Температура человеческого тела, в частности и полости глаза, около 37°. По законам теплового излучения можно вычислить, что максимум излучения человеческого тела соответствует 9–10 µ, а энергия, излучаемая с одного квадратного сантиметра поверхности в секунду, равна примерно 0,012 калории. Внутренние стенки глаза, разумеется, также излучают эту энергию; внутренность глаза светится инфракрасным светом. При этом внутри глазной полости поверхность столько же поглощает, сколько излучает. Общая внутренняя поверхность глаза около 17 кв. см. Умножив 0,012 на 17, получим 0,2 калории, т. е. общую энергию внутреннего собственного невидимого света, поглощаемую глазом. Представим себе теперь на мгновение, что невидимый инфракрасный свет стал видимым так же, как зеленый. Одна «зеленая свеча» излучает на один квадратный сантиметр с расстояния в один метр около 38 миллиардных долей калории в секунду; 0,2 калории равносильны 5 млн свечей. Глаз внутри засветился бы миллионами свечей. По сравнению с этим внутренним светом потухло бы Солнце и все окружающее. Человек видел бы только внутренность своего глаза и ничего больше, а это равносильно слепоте.

Вполне целесообразно поэтому, что глаз не видит инфракрасных лучей с длинными волнами.

Но почему же нет зрения в области инфракрасных лучей с более короткими длинами волн, например от 1 до 5 µ? По-видимому, причина этого кроется в самом механизме зрения. Он неизвестен до сих пор, но во всяком случае можно утверждать, что зрение должно начинаться либо химическими действиями света, либо фотоэлектрическими (вырывание электронов из молекул). Для осуществления и фотохимических и фотоэлектрических процессов нужна, однако, энергия, которая не может быть меньше некоторой минимальной величины, иначе нельзя разорвать молекулу или оторвать от нее электрон.

В настоящее время известны некоторые фотоэлектрические процессы (именно увеличение электропроводности при освещении), простирающиеся в смысле возможной чувствительности очень далеко в инфракрасную область, до 5–6 µ. Однако величина чувствительности при этом все же крайне незначительна. Точно так же фотографические пластинки не чувствительны к этим областям волн.

Изложенные причины, определяемые, с одной стороны, свойствами солнечного света, а с другой – особенностями действий света на вещество, достаточно объясняют, почему глаз видит только узкую часть спектра, расположенную примерно от 0,4 до 0,7 µ.

Но есть и другой очень важный солнечный фактор, определяющий именно такой «естественный отбор» области видимости. Обратимся к рассмотрению распределения энергии в спектре солнечного света. Для существа, живущего на земной поверхности, это распределение далеко не постоянно. Оно резко меняется в зависимости от положения Солнца на небесном своде. При разной высоте над горизонтом солнечным лучам приходится проходить равные толщи атмосферы, которая рассеивает и поглощает эти лучи различным образом для разных длин волн. На это мы уже указывали в главе о Солнце. На рисунке 35 проведены сглаженные (без фраунгоферовых линий) кривые распределения энергии солнечного света: I – за пределами атмосферы; II – при положении Солнца над головой; III – при высоте Солнца 30° над горизонтом; IV – при условиях, близких к восходу и закату, 10° над горизонтом.

Рис. 35

Распределение энергии в спектре Солнца при различных высотах над горизонтом

На рисунке 36 приведена средняя годичная кривая распределения энергии полуденного Солнца (верхняя кривая). Разумеется, для глаза важна именно такая усредненная кривая. Из кривой явствует, что для «среднего» Солнца энергия в области 450–650 mµ распределена почти равномерно, но она резко падает в сторону более коротких и длинных волн. Иначе говоря, кривая видности, отмеченная на рисунке 36 заштрихованной площадью I, 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 µ 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 умение различать 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 яркостей 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.