Читать книгу "Новый физический фейерверк - Джирл Уокер"

7.27. Перевернутые тени и бугор на ровном месте

Проделайте маленькое отверстие в непрозрачном листке бумаги, поместите его в нескольких сантиметрах перед одним глазом, закройте другой глаз, а затем аккуратно поднесите к лицу любой тонкий стержень (например, пустой стержень от шариковой ручки), держа его параллельно поверхности лица так, чтобы он оказался между отверстием и открытым глазом. Вы увидите в круге света, выходящего из отверстия, тень этого стержня, но — перевернутую. Почему кажется, что тень находится за листом бумаги?

Посмотрите одним глазом на далекий источник света через щель, образованную большим и указательным пальцами, причем пусть указательный палец будет чуть дальше от вас, чем большой палец. Кажется, что внутри щели на указательном пальце образуется бугорок. Чем уже щель, тем более выраженным становится бугорок, и в конце концов он заполнит всю щель.

Этот эффект наблюдал капитан Джеймс Кук в 1769 году во время прохождения Венеры через солнечный диск. Когда Венера стала пересекать Солнце, на которое смотрел Кук, он увидел черное пятно, а когда она приблизилась к краю солнечного диска, между черным пятном и краем диска появилась черная перемычка, как будто на пятне вырос горбик.

ОТВЕТ • Глаз работает как выпуклая линза, создавая перевернутое изображение на сетчатке. Предположим, что конец стержня расположен напротив значка, а сам стержень направлен вниз. Изображение стержня оказывается перевернутым и расположенным в верхней половине сетчатки. Ваш многоопытный мозг переворачивает изображение так, что вы воспринимаете стержень в его правильной ориентации.

Но стержень отбрасывает тень на сетчатку, поскольку перекрывает часть света, проходящего через маленькое отверстие. Так как он располагается в нижней части поля зрения, тень расположится на нижней части сетчатки. Но поскольку мозг переворачивает все, что отпечатывается на сетчатке, вы увидите тень в верхней части поля зрения. Поэтому вы увидите стержень в правильной ориентации, а тень — перевернутой.

Когда вы уменьшаете ширину щели между большим и указательным пальцами, большой палец начинает загораживать свет, проходящий под указательным пальцем. Это уменьшение освещенности приводит к появлению темной области на сетчатке непосредственно рядом с изображением указательного пальца, и кажется, что она разрастается в щели так, как будто на пальце образовался бугорок. Чем уже щель, тем больше света блокируется и тем большим кажется бугорок.

7.28. Странное отражение в елочном шарике

На стенках блестящего елочного шара можно увидеть отражение почти всей комнаты. Предположим, вы помещаете небольшой источник света (например, освещенное маленькое отверстие) перед шариком, а затем рассматриваете отражение в нем с расстояния около 10 см. Если в комнате горит общий свет, источник (освещенное отверстие) будет отображаться в виде яркой точки. Если свет в комнате выключить, в некоторых случаях отраженное изображение постепенно вытянется и превратится в линию. Если освещение в комнате включить опять, изображение быстро свернется в точку. Почему в темной комнате мы видим искаженное отражение?

ОТВЕТ • Лучи света от точечного источника света отражаются от сферической поверхности шарика во многих направлениях. Если наш глаз находится достаточно близко, в него попадут многие из этих расходящихся лучей, и они сфокусируются на сетчатке. То, что вы видите, есть изображение источника, который, как нам кажется, лежит за ближайшей к глазу поверхностью шара, — это так называемое мнимое изображение. Когда комната хорошо освещена, глазной зрачок сужен, и в него входит лишь небольшой пучок отраженных лучей. Тогда изображение источника — это небольшая точка. Когда комната темная, зрачок расширяется, позволяя более широкому пучку отраженных лучей попасть в глаз, и мы видим более вытянутое изображение источника, которое может образоваться за счет астигматизма (дефекта зрения) или незначительного отклонения формы шара от идеальной сферы.

7.29. Вращение узоров из случайно нанесенных точек

Набрызгайте чернила или краску на лист бумаги, а затем сделайте фотокопию этой картины на прозрачной пленке. Поместите пленку поверх оригинала, чтобы соответствующие точки совпали. Прижмите пальцем пленку в одной точке и поворачивайте ее вокруг этой точки. При больших поворотах точки остаются расположенными случайным образом, но для небольших поворотов многие точки кажутся расположенными на невидимых окружностях.

При увеличении угла поворота эти окружности, на которых лежат упорядоченные точки, смещаются внутрь, к пальцу, до тех пор, пока не исчезнут. Можно получить и другие узоры, если изгибать пленку или как-то иначе ее перемещать. Если на ксероксе сделать слегка уменьшенную фотокопию и положить ее поверх оригинала, появляются спирали и другие узоры. Почему мы видим упорядоченные структуры при различных совмещениях рисунков со случайно разбросанными точками, которые названы общим термином узоры Гласса в честь Леона Гласса из Университета Макгилла, открывшего их в 1969 году? Упорядоченность исчезает, если копия делается в виде негатива оригинала на сером растровом фоне. Означает ли этот результат, что ощущение вращения в узоре зависит от контраста между точками и фоном в каждом из узоров?

ОТВЕТ • Почему возникает ощущение вращения при наложении картинок со случайно разбросанными точками, не совсем понятно. Каким-то образом зрительная система сканирует всю картину и находит пары точек, которые ранее были совмещены. Если вы посмотрите только на небольшой участок картины, корреляцию найти не удастся и вы не увидите никакого узора. Корреляция, которую зрительная система находит в полной картине, может быть связана с тем, что в зрительной системе имеются группы, специально предназначенные для обнаружения линий и контуров. Такие специализированные группы действительно обнаружены.

Предположим, что каждая из таких многочисленных групп возбуждается парой точек, которые ранее были совмещены. Затем мозг сравнивает эти группы, понимает, что в каждой из них имеется пара коррелированных точек, лежащих на невидимой окружности, и создает в сознании ощущение вращения. Когда копия отворачивается слишком далеко от оригинала, точки, которые были сначала совмещены, возбуждают разные группы, и у вас уже не может возникнуть ощущения вращения.

Для того чтобы увидеть узоры Гласса, нужно не только повернуть картинки друг относительно друга на небольшой угол. Мозг еще требует, чтобы точки имели один и тот же контраст по отношению к фону. Поэтому если одна из картинок является негативом другой и фон на этом негативе представляет собой серый растр, никакого узора мы не увидим, даже если повернем негатив на малый угол.

7.30. Снежные узоры на телевизионном экране

Настройте телевизор на канал, где нет сигнала, и экран заполнится случайным шумом, так называемым снегом. Если вы наложите на экран круг, будет казаться, что снежинки движутся по границам круга. Если вы наложите на экран шаблон, состоящий из радиальных линий, будет казаться, что снежинки перемещаются перпендикулярно линиям и образуют завитки. А шаблон, состоящий из концентрических окружностей, заставит снежинки двигаться по радиусам от центра наружу. Почему движение снежинок кажется таким?