Как мы видим и почему всё разноцветное?

Благодаря зрению практически весь живой мир получает основную часть информации. Мы уже знаем, что гипотеза об «ощупывающих», истекающих из глаз лучах была несостоятельной. Известно также, что мы можем видеть только те объекты, от которых в наш глаз поступает свет, излучённый самим объектом или отражённый от него. Но что происходит в нашем глазу при попадании света? Почему мы не можем видеть очень малые и очень далёкие предметы? И вообще, что представляет собой глаз человека?

Схема глаза человека (глазного яблока) представлена на рисунке. Наружная оболочка глаза — склера сформирована из плотных соединительных волокон. Склера защищает глаз и обеспечивает его жёсткость. В передней части глаза склера переходит в прозрачную роговицу. Роговица — это оптически наиболее плотная среда глаза, она пропускает свет в глаз. За роговицей находится радужная оболочка, содержащая пигмент, который определяет цвет глаз.

В центре радужной оболочки находится зрачок. Зрачок, сужаясь или расширяясь, дозирует количество световой энергии, попадающей в глаз. На свету зрачок сужается, а в темноте зрачок расширяется, позволяя улавливать очень слабые световые пучки. За радужной оболочкой находится прозрачное эластичное тело — хрусталик, напоминающий по форме двояковыпуклую линзу. Усилиями специальных мышц хрусталик может увеличивать или уменьшать свою кривизну. Полость между роговицей и хрусталиком заполнена прозрачной жидкостью — водянистой влагой. А за хрусталиком почти вся область глаза заполнена стекловидным телом — это студенистая, прозрачная масса. Роговица, водянистая влага, хрусталик и стекловидное тело — все вместе составляют оптическую систему глаза. Внутренняя оболочка — сетчатка содержит слой зрительных клеток и несколько слоёв нервных клеток.

Одни из зрительных клеток похожи на палочки, другие — на колбочки. Колбочки обладают способностью различать цвета и мелкие предметы. Однако работать они могут только при очень хорошем освещении.

А палочки обладают большей чувствительностью к свету, но они не различают цвет. Поэтому мы можем видеть предметы в сумерках, но очень плохо различаем их цвета.

В сетчатке также идёт преобразование световой энергии, попавшей в глаз от предмета, в нервный импульс. Он передаётся в головной мозг, где и формируется зрительный образ. Именно благодаря головному мозгу окружающие нас предметы мы видим в тех положениях, в которых они находятся на самом деле.

Мы хорошо видим как близкие, так и далёкие предметы. Водитель автомобиля чётко видит цифры на спидометре, а в следующее мгновение так же хорошо — удалённый дорожный знак. Во всех случаях попавший от предметов в глаз свет должен фокусироваться в одном месте (на сетчатке).

Хрусталик глаза, изменяя свою форму, меняет оптическую силу системы. Это называется аккомодацией глаза. При приближении предмета хрусталик становится более выпуклым, его фокусное расстояние уменьшается так, чтобы изображение оказалось именно на сетчатке. При удалении предмета хрусталик вытягивается, фокусное расстояние увеличивается настолько, что изображение снова оказывается на сетчатке. Таким образом, благодаря аккомодации глаза человек хорошо видит разноудалённые предметы.

Однако увеличение кривизны хрусталика имеет предел. Нормальный глаз взрослого человека может длительно без особого напряжения рассматривать предметы, расположенные от него не ближе 25 сантиметров. Расстояние от глаза до предмета, равное 25 сантиметрам, называется расстоянием наилучшего зрения (или видения). При меньших расстояниях до предмета глаз напрягается и утомляется.

Однако нельзя не заметить, что большинство людей пожилого возраста носят очки. Это говорит о том, что оптическая система их глаз перестала работать нормально. В последние годы дефекты зрения всё чаще наблюдаются и у детей.

— А в чём суть дефектов зрения и как их корректируют?

Как мы уже говорили, оптическая система нормального глаза даёт изображение предмета на сетчатке. Однако в силу различных причин изображение далёких предметов может формироваться не на сетчатке, а перед ней. Такой дефект зрения называют близорукостью (а в медицине — миопией).

Близорукость бывает врождённой и приобретённой. Причиной появления близорукости у детей может быть чрезмерное увлечение чтением близко расположенного к глазам текста, долгое сидение за экраном компьютера или постоянное «зависание» в телефоне.

— Как корректируют близорукость?

С этой целью используют очки с рассеивающими линзами. Рассеивающая линза делает параллельный пучок света расходящимся. Лучи после преломления в глазу фокусируются на сетчатке.

При другом дефекте зрения — дальнозоркости (или гиперметропии) — изображение близко расположенных предметов (текста книги, инструмента и так далее) фокусируется за сетчаткой.

Главная причина дальнозоркости — потеря эластичности хрусталика. Даже самыми большими усилиями мышц он не может приобрести необходимую кривизну. Этот дефект, за редкими исключениями, свойствен для зрения большинства пожилых людей. Корректируется дефект дальнозоркости с помощью очков с положительной оптической силой собирающих линз.

Таким образом, провести коррекцию зрения можно с помощью очков. Но иногда вместо очков используют контактные линзы, изготовленные из полимерных материалов. Эти линзы накладываются непосредственно на глазное яблоко. Основным недостатком контактных линз является раздражение глаз при длительном их ношении. А в последнее время всё чаще проводится лазерная коррекция хрусталика глаза.

Наши глаза находятся на небольшом расстоянии друг от друга, и поэтому каждый глаз видит мир по-своему. Это помогает нам определять форму предметов, узнавать расстояния до них. У большинства хищных животных оба глаза смотрят вперёд. Это помогает точно определить расстояние до цели, но очень сужает обзор. У некоторых животных глаза расположены по бокам головы. Это обеспечивает им очень широкий обзор для поиска добычи, но затрудняет определение расстояния до неё.

А самым острым зрением среди всех живых существ обладают хищные птицы — орлы, соколы, ястребы. Например, орёл может высматривать свою жертву с высоты до 3 км.

Мы привыкли видеть окружающий нас мир, наполненным многообразием различных цветов и цветовых оттенков. Но задумывался ли кто-нибудь из вас, что же такое цвет тел? Можем ли мы рассматривать цвет как одно из основных свойств материальных объектов?

Долгое время вопросами о природе цвета занимались в основном художники, поэты и философы. Но чаще всего их рассуждения касались пропорции смешения различных цветов, и на этой основе строились те или иные теории цвета. Например, ещё в IV веке до нашей эры древнегреческий учёный Аристотель выдвинул свою теорию цветов, согласно которой солнечный свет является простым, а все остальные цвета получаются из него в результате смешивания с различным количеством тёмного цвета.

Подобные теории выдвигались и значительно позднее такими учёными, как Рене Декарт, Иоганн Кеплер и Роберт Гук. Однако научного обоснования природы цветов не было в плоть до 1666 года. Как вы помните, в этом году Исаак Ньютон открыл явление дисперсии света. Тем самым показав, что белый свет является сложным: пройдя через призму, он разлагается на пучки различных цветов.

Однако многочисленные опыты Ньютона не смогли убедить некоторых сторонников Аристотеля. Например, выдающийся немецкий поэт и видный естествоиспытатель Иоганн Гёте писал: «Утверждение Ньютона — это чудовищное предположение. Не может быть, что самый прозрачный, самый чистый Цвет — белый — оказался смесью цветных лучей». Поэт считал, что исследованный Ньютоном свет — это свет, «замученный всякого рода орудиями пытки:

Друзья, избегайте тёмной комнаты,

Где вам искажают свет

И самым жалким образом

Склоняются перед искажёнными образами».

Мы уже говорили о том, для сложения спектральных цветов Ньютон в своём опыте использовал собирающую линзу. Вышедший из неё пучок в точке схождения лучей становился белым. Однако сложить спектральные цвета и получить белый цвет можно и на более простом опыте. Возьмём центробежную машину и укрепим на её валу диск с разноцветными секторами. При быстром вращении диска создаётся впечатление, что он белого цвета.

Ньютон не только открыл дисперсию света, но и впервые ввёл цветовой график, позже названый цветовым кругом Ньютона. Из него следовало, что любой цвет можно получить смешением всего трёх цветов. Но потребовалось более ста лет после смерти учёного, чтобы этот основной закон Цветоведения был окончательно установлен.

Первые попытки объяснения многообразия воспринимаемых цветов принадлежат Томасу Юнгу. По его предположению, в глазах человека находятся три вида светочувствительных нервных окончаний, отвечающие за ощущения красного, зелёного и фиолетового цветов. Их раздражение в различных сочетаниях вызывают ощущения всевозможных оттенков. Для определения сложных цветов Юнг предложил пользоваться графиком, имеющим форму треугольника, в вершинах которого находятся точки трёх основных цветов.

Однако точные данные по основной триаде цветов были получены лишь в 20-х годах ХХ века Уильямом Дэвидом Райтом и Джоном Гилдом. Их опытные данные очень хорошо совпали. Поэтому в 1931 году Конгресс Международной Осветительной Комиссии принял эти данные в качестве основы для международных систем измерения цветов — RGB (от английских слов красный, зелёный и синий).

При смешении основных цветов, например, синего и красного, получается пурпурный цвет, зелёного и красного — жёлтый, зелёного и синего — циановый (светло-зелёный) цвет. При смешении же всех трёх основных цветов получается белый цвет.

А в 1947 году Рагнар Артур Гранит обнаружил, что у человека и приматов существует три вида колбочек, различающихся по спектральной чувствительности, — условно «красные», условно «зелёные» и условно «синие»).

Таким образом, подтвердилась трёхцветная теория Юнга, которая хотя и была очень достоверной, но все же оставалась гипотезой.

Но всё же пока не ясно, почему же окружающий нас мир пестрит различными красками. И почему различные предметы, освещённые одним и тем же солнечным светом, имеют разный цвет?

Чтобы разобраться в этом, получим на экране спектр белого света. Теперь возьмём цветную бумажную полоску (например, зелёного цвета) и закроем ей часть спектра. Обратите внимание на то, что цвет полоски остался зелёным только в той области спектра, где на неё падают зелёные лучи. В жёлтой области спектра наша бумажка изменила оттенок. А в остальных частях спектра она выглядит тёмной. Это говорит нам о том, что тела, имеющие зелёную окраску, способны отражать в основном лучи зелёного цвета, а остальные поглощают.

Аналогично тела, имеющие красную окраску, в основном отражают красные лучи. Белые тела, которые освещаются дневным светом, в равной степени отражают лучи всех цветов, поэтому мы их и видим белыми. Чёрные же тела, наоборот, поглощают практически все падающие на них лучи.

Различные же цвета прозрачных тел обусловлены составом того цвета, который прошёл через них.

В заключение отметим, что не все животные различают цвета. Например, пустынный муравей некоторые цвета видит лучше, чем человек. Гремучие змеи могут обнаружить свою жертву даже в полной темноте, улавливая тепловые (инфракрасные) лучи. Особые нервные клетки, способные воспринимать тепло, расположены во впадинах, которые находятся возле глаз змеи. А вот кальмар вообще не различает цвета.