Читать книгу "Новый физический фейерверк - Джирл Уокер"

В глазу человека задняя поверхность сетчатки отражает не так хорошо, и когда в темноте ему в глаза светят фонариком, они не сильно светятся. Однако отраженный свет все же можно заметить на фотографиях, сделанных фотоаппаратом со вспышкой, если человек смотрит прямо в объектив.

Формирование изображения в глазу человека происходит в результате преломления световых лучей в роговице и хрусталике. А в глазах гребешков изображение образуется благодаря отражению света от вогнутого зеркала, расположенного за сетчаткой. Попадая в глаз гребешка, лучи света проходят через хрусталик и сетчатку, отражаются от вогнутого зеркала, фокусируются и формируют изображение внутри сетчатки глаза.

Это зеркало отличается от зеркала, висящего у вас в ванной. Оно образовано не единичным слоем отражающего вещества, а состоит из перемежающихся слоев цитоплазмы (с маленьким коэффициентом преломления) и кристалликов гуанина (с большим коэффициентом преломления). Толщина каждого слоя примерно равна четверти длины волны света. Из-за такой толщины каждого слоя и чередования коэффициентов преломления в слоях отраженные световые волны интерферируют, в результате изображение, образованное этой многослойной структурой, получается намного более ярким, чем при отражении от зеркала с однослойным покрытием. Однако это происходит только в узкой части спектра, а обычное зеркало отражает весь видимый спектр (инфракрасное излучение вдобавок).

7.18. Как видят под водой люди, пингвины и крокодилы

Почему мы почти полностью теряем способность фокусировать свой взгляд под водой? Почему близорукие люди под водой видят лучше других? Почему, если человек наденет маску, у него восстанавливается способность фокусировать взгляд? Почему некоторые люди (например, мокены, живущие в Мьянме и на западном побережье Таиланда) видят под водой прекрасно и без маски?

Пингвины живут на суше, но охотятся они под водой. Как они умудряются видеть и в воздухе, и под водой?

ОТВЕТ • На воздухе световые лучи в человеческом глазу фокусируются в основном за счет роговицы, а окончательная фокусировка происходит в глазном хрусталике, кривизной которого управляют мышцы. Когда вы погружаетесь под воду, фокусирующая способность роговицы теряется, поскольку оптические свойства материала глаза почти совпадают с оптическими свойствами воды, окружающей глаз. Поэтому, когда лучи проходят границу воды с глазом, они практически не преломляются. Преломление лучей в этом случае происходит лишь в хрусталике, но большинство из нас не может настолько сильно изменить кривизну хрусталика, чтобы он один сформировал четкое изображение на сетчатке. Однако мокены, которых называют морскими цыганами, натренировали свои глаза, чтобы видеть под водой. Они сужают зрачок, чтобы обрезать пучок лучей, попадающих в глаз, и как можно больше напрягают мышцы глаза, стараясь увеличить кривизну хрусталика. Оба эти действия позволяют получить достаточно четкое изображение на сетчатке. По мнению некоторых специалистов, любой человек может этому научиться.

У близоруких людей роговица и хрусталик слишком сильно преломляют световые лучи. В результате изображение формируется перед сетчаткой, и когда световые лучи от удаленного объекта добираются до сетчатки, они уже опять расходятся, и изображение становится размытым. Когда близорукий человек оказывается под водой, его роговица перестает преломлять свет и сфокусированное изображение приближается к сетчатке и, возможно, даже попадает на нее. Поэтому близорукий человек под водой может видеть лучше, чем человек с нормальным зрением.

Если дайвер наденет маску, перед глазами уже будет не вода, а воздух, поэтому преломление световых лучей на поверхности роговицы станет нормальным.

Роговица пингвина почти плоская. Поэтому, когда пингвин попадает из воздушной среды в водную, преломляющие свойства роговицы практически не изменяются. Зрение пингвина адаптировано к воде, поскольку там находится его пища: соответственно, его хрусталики имеют большую кривизну, благодаря чему световые лучи фокусируются на сетчатке. Находясь на суше, он может ослабить напряжение мышц, чтобы кривизна хрусталиков уменьшилась. Но они, вероятно, все еще слишком сильно преломляют лучи, и изображение на сетчатке остается размытым. Поэтому пингвин на суше, скорее всего, очень близорук. Однако он может уменьшить размытость изображения на сетчатке, сузив зрачок, который превращается в маленькое отверстие. Маленькая апертура ограничивает расходимость лучей, идущих от освещенного объекта, и изображение объекта делается более четким.

Крокодилы хорошо видят на воздухе и плохо под водой. Как и люди, они не могут изменить кривизну хрусталика настолько, чтобы компенсировать уменьшение преломления роговицей. Но тем не менее крокодилы — искусные подводные охотники: кроме зрения, у них есть другие способы выслеживания добычи.

7.19. Подводное зрение «четырехглазых» рыб

Странная рыба четырехглазка (Anableps anableps) плавает у самой поверхности воды, и ее глаза наполовину находятся под водой, а наполовину — над ней, так что она видит и под водой, и в воздухе. Как ее глаза могут фокусироваться одновременно и в воздушной, и в водной среде?

ОТВЕТ • Хрусталик этой рыбы имеет форму яйца, чтобы компенсировать маленький коэффициент преломления лучей, попадающих в глаз от подводных объектов. Свет, приходящий от надводных объектов, при попадании в глаз сильно преломляется роговицей, а потом еще немного преломляется выпуклой частью хрусталика, так что изображение надводных объектов оказывается в фокусе, когда оно попадает на нижнюю часть сетчатки глаза.

Свет, который приходит от подводных объектов, при попадании в глаз слабо преломляется на роговице, но очень большая кривизна этой части яйцевидного хрусталика приводит к тому, что лучи, идущие от подводных объектов, сильно преломляются и фокусируются на сетчатке в верхней части глаза. Фокусироваться им помогает и сравнительно большое расстояние между хрусталиком и верхней частью сетчатки.

7.20. Улыбка Чеширского кота

Установите зеркало так, чтобы одним глазом вы видели картину, которая у вас перед глазами, отраженной в зеркале, а другим глазом вы бы видели ее напрямую. Вы можете воспринять обе картины как единую, можете видеть либо одну, либо другую (то, что называется бинокулярным соперничеством) или большую часть времени видеть только какую-то одну из них. У некоторых людей получается такой эксперимент: если вы проведете рукой перед одним глазом (любым), перекрывая картину, и при этом не будете следить глазами за рукой, вторая картина (не та, которую перекрывает рука) исчезнет полностью или частично, причем «стертая» часть второй картины относится к той области, которую перекрывала при своем движении рука. Если эта картина — лицо человека, вы можете таким образом стереть часть лица, например оставить только свободно парящий в пространстве рот. Это похоже на улыбку Чеширского Кота в книге Льюиса Кэрролла «Алиса в Стране чудес».

Почему возникает «стирание»?