Текст книги "Физика в быту"

Солнечный свет проходит сквозь атмосферу Земли и по пути видоизменяется: немного ослабляется из-за поглощения в атмосфере, а также немного желтеет, так как из пучка фотонов, идущих от солнца к глазам, выбывают коротковолновые сине-фиолетовые фотоны – они гораздо сильнее рассеиваются на молекулярных неоднородностях атмосферы, чем красные. Кстати, это одновременно ответ на вопрос, почему небо голубое: потому что мы видим небо именно благодаря рассеянному солнечному свету, в котором преобладает сине-голубая составляющая. А по ночам небо (то есть атмосфера) совершенно прозрачно и черно, потому что нет рассеянного света.

Почему на рассвете и закате мы видим солнце красным? Свет от солнечного диска, расположенного низко над горизонтом, проходит по касательной к земной поверхности, так что путь солнечных лучей в атмосфере становится намного больше, чем днём, и бóльшая часть синего и даже зелёного света рассеивается в стороны, окрашивая небо, а само солнце кажется красным.

Максимум дневного солнечного спектра после прохождения через атмосферу приходится на жёлто-зелёный диапазон – 555 нм (запомним это число!).

Что касается ультрафиолетовой части солнечного спектра, то она практически обрывается на длине волны 290 нм, так как более короткие волны задерживаются слоем озона в атмосфере, а также поглощаются водяным паром, кислородом и углекислым газом.

Медики выделяют в ультрафиолетовом излучении три участка, в зависимости от длины волны:

УФ-А (400–315 нм), УФ-В (315–280 нм) и УФ-С (280–200 нм). 99 % солнечного ультрафиолета, дошедшего до поверхности Земли, приходится на участок УФ-А и 1 % – на УФ-В; что касается солнечного УФ-С, то оно полностью поглощается атмосферой. Самый мягкий ультрафиолет УФ-А приводит к появлению загара: в клетках выделяется пигмент меланин, меняющий цвет кожи.

Но гораздо более эффективен для загара УФ-В, под действием которого в клетках запускается производство нового меланина, а также вырабатывается витамин D. Это самая полезная для нас часть УФ-спектра – при её отсутствии снижаются защитные функции организма и ухудшается обмен веществ (но «употреблять» её нужно в разумных количествах). Более жёсткое УФ-С излучение Солнца, хотя его и немного в исходном спектре Солнца, было бы губительно для нас, так как оно убивает микроорганизмы и живые клетки. Считается, что жизнь не могла выйти из океанов на сушу, пока в атмосфере не образовалось достаточно озона для поглощения УФ-С.

В тёмное время суток людям светила луна. Лунный свет – это не собственное излучение Луны, а отражение солнечного света, и он имеет почти такой же спектр, как солнечный, но в нём меньше синего и больше красного. Нашим же глазам луна кажется иногда серебристо-белой, иногда жёлтой. Мы позже ещё поговорим о том, почему цвета предметов не совсем такие, как можно было бы ожидать по спектральному составу их излучений. Например, цвет пламени костра вы воспринимаете как жёлто-оранжевый, а не красный, хотя спектр его теплового излучения лежит почти целиком в инфракрасной области, и только незначительная доля энергии излучается в видимом диапазоне, быстро убывая от красной его части к жёлтой.

Как вы думаете, почему мы воспринимаем как видимый свет именно такие длины волн (400–750 нм), а не иные? Тому есть ряд причин.

Во-первых, как мы видели на рисунке 11, именно в этой области частот наше Солнце излучает максимальную энергию (почти половину от полной энергии излучений). Естественно, эволюция устроила так, чтобы глаз наилучшим образом воспринимал тот свет, который преобладает в спектре главного светила.

Во-вторых, глаза не случайно невосприимчивы к инфракрасному излучению. Будь это не так, собственное тепловое излучение глаза, приходящееся как раз на инфракрасную область, полностью затмило бы приходящий извне свет, и работа глаза была бы невозможной. В этом одна из главных причин (к такому заключению пришёл знаменитый физик Сергей Вавилов). Кроме того, энергии инфракрасных фотонов недостаточно для возбуждения химического действия света в рецепторах глаза.

В-третьих, ультрафиолетовая граница видимой области тоже не случайна. Прошедший сквозь атмосферу ультрафиолет УФ-А и УФ-В почти полностью поглощается внутри глаза, особенно в хрусталике. И это прекрасно, потому что он представляет угрозу для сетчатки глаза. Кстати, хрусталик детского глаза более проницаем для ультрафиолета, так что глаза ребёнка требуют особой защиты.

Оконное стекло и обычное стекло очков частично пропускают ультрафиолетовое излучение. Для защиты глаз от солнечного ультрафиолета требуются очки со специальными покрытиями.

Рис. 12. Относительная чувствительность глаза к различным длинам волн при дневном (1) и ночном (2) зрении

Итак, мы разобрались, почему именно такие длины волн эволюция выбрала для нашего зрения. Но и в пределах видимого диапазона чувствительность глаза к разным длинам волн очень сильно отличается, что видно из рисунка 12. Там представлены так называемые «кривые видности» (чувствительности глаза) для дневного зрения (кривая 1) и ночного зрения (кривая 2). При дневном свете глаз лучше всего воспринимает жёлто-зелёный свет с длиной волны 555 нм, ведь именно на эту длину волны приходится максимум интенсивности солнечного света, прошедшего через атмосферу. Примем чувствительность глаза к свету этой длины волны за единицу. По мере удаления от этой длины волны относительная чувствительность глаза быстро падает. Так, из рисунка 12 (кривая 1) мы видим, что для красного света с длиной волны 660 нм чувствительность глаза равна примерно 0,1. Это означает, что требуется в 10 раз бóльшая интенсивность красного света, чтобы вызвать такое же зрительное ощущение яркости, как для жёлто-зелёного света.

Кстати, в этой «кривой видности» кроется ответ на вопрос, почему воспринимаемый цвет объекта не соответствует его реальному спектру. Глаз «умножает» интенсивность каждой присутствующей в спектре компоненты света на свой коэффициент – относительную чувствительность к данной длине волны. Например, в спектре пламени свечи интенсивность монотонно возрастает от синего конца к красному (рис. 13), а после процедуры умножения на функцию видности получается максимум в жёлто-оранжевой части, и мы таким и видим пламя. При равной чувствительности глаза ко всем длинам волн пламя воспринималось бы тёмно-красным. Такой же «трюк» глаз проделывает со спектром лампы накаливания (он похож в видимой области на спектр пламени свечи), в результате чего её свет нам кажется жёлто-белым вместо красного.

Для сумеречного зрения максимум чувствительности глаза приходится на длину волны 507 нм – это зелёный цвет (кривая 2). В темноте мы лучше воспринимаем сине-зелёную часть спектра. Замечали, что в сумерках зелёные листья видятся более светлыми, а красные цветы кажутся совсем чёрными? Цвета же предметов мы в сумерках и вовсе не различаем (как говорится, в темноте все кошки серы). Почему? Об этом поговорим дальше.

Рис. 13. Спектр пламени свечи в видимом диапазоне

Безусловно, зрение – это очень важно. Но свет не только позволяет нам видеть, но и помогает мозгу синхронизировать физиологические процессы и обмен веществ со временем суток, то есть свет управляет нашими биологическими часами. Яркий дневной свет заставляет шишковидную железу мозга вырабатывать серотонин – гормон «бодрости и счастья». Причём важна не просто яркость света, а наличие сине-голубой составляющей – как в свете дневного неба. Чем ближе к вечеру, тем меньше остаётся голубого в спектре солнечного света, начинают преобладать красные цвета заката или света костра. Это сигнал для шишковидной железы, что пора прекращать производство серотонина и приступать к выработке мелатонина – гормона сна. Запомним: за 2–3 часа до сна голубого света в спектре источника быть не должно, а то потом не уснёшь! Но если и днём совсем не было голубого света, сон будет неглубоким, неполноценным (зимой в северных регионах у людей возникает «световое голодание»).

Шишковидная железа принимает сигналы не от тех рецепторов сетчатки, которые отвечают за зрение, а от специальных фоточувствительных клеток, залегающих в более глубоких слоях сетчатки. Поэтому даже при полной потере зрения свет может продолжать влиять на работу мозга.

Не получая дневного света, наши биологические часы начинают отставать: по каким-то причинам они добавляют к суткам лишние 30 минут. Дневной свет каждое утро перезапускает наши внутренние часы.

Пора нам обсудить строение глаза, объясняющее особенности и нашего цветовосприятия и адаптации к изменяющимся условиям освещения.

Глаз как оптическая система похож на фотоаппарат: система линз, подобно объективу фотоаппарата, создаёт изображение внешнего мира на светочувствительной внутренней поверхности глаза – сетчатке. Основное преломление обеспечивает роговица – выпукло-вогнутая линза (как в наручных часах). Хрусталик, эластичная двояковыпуклая линза, может почти мгновенно менять свой диаметр, из-за чего изменяется его фокусное расстояние, и человек может чётко видеть и вблизи, и вдали. Радужная оболочка с круглым отверстием переменного диаметра – зрачком – играет роль диафрагмы, регулирующей поступление света в глаз. На ярком свете зрачок сужается, в темноте – расширяется, пропуская в глаз больше света.

Внутренняя оболочка глаза – сетчатка – состоит из светочувствительных рецепторов. Клетки-рецепторы делятся на два вида: колбочки и палочки. В них находятся особые светочувствительные пигменты. Под действием света они разлагаются, а в темноте снова восстанавливаются. Изменение химического состава пигментов вызывает раздражение волокон зрительного нерва, электрический импульс от которых передаётся в головной мозг.

Ночное зрение обеспечивают палочки (всего 130 миллионов палочек толщиной 2 микрометра). Они способны воспринимать свет очень малой интенсивности, но не различают цвета, потому что содержат только один сорт светочувствительного пигмента.

Дневное зрение обеспечивают колбочки (7 миллионов колбочек толщиной 6 микрометров). Они чувствительны к цветам, но зато менее чувствительны к интенсивности: для их работы требуется яркий свет.

Распределение рецепторов на сетчатке неравномерно. На ней есть особое место вблизи центра, называемое жёлтым пятном. Здесь преобладают колбочки, а палочек очень мало. К периферии сетчатки, наоборот, число колбочек быстро уменьшается, и остаются одни только палочки, поэтому в темноте мы лучше видим объекты «боковым» зрением. Кстати, если хотите в шутку напугать приятеля в темноте, вставайте прямо по курсу – и он вас не заметит; движение же сбоку, на периферии поля зрения, сразу привлечёт его внимание.

Диаметр желтого пятна около 1 мм, а соответствующее ему поле зрения глаза – всего 6–8 градусов. В жёлтом пятне к большинству колбочек подходят отдельные волокна зрительного нерва; вне жёлтого пятна одно волокно зрительного нерва обслуживает целые группы колбочек или палочек. Поэтому только в области жёлтого пятна, то есть в очень небольшом поле зрения, глаз может различать тонкие детали, причём только при ярком свете. Мы этот факт особо не осознаём, потому что при рассматривании предмета наш взгляд всё время беспорядочно перемещается по объекту, сосредотачиваясь на разных его участках – мы сканируем объект глазами, а мозг создаёт и хранит его целостный образ.

Там, где ствол зрительного нерва «входит» в глазное яблоко, находится слепое пятно: в этом месте нет ни колбочек, ни палочек – оно не чувствительно к свету. Убедиться в его существовании можно так: поднесите рисунок к глазам на расстояние около 10 см, закройте левый глаз и смотрите на крестик правым глазом. Перемещайте немного глаз вперёд-назад, и в какой-то момент изображение кружка исчезнет, оно попадёт на слепое пятно.

Строго говоря, световые волны сами по себе не имеют цвета. Он возникает лишь при восприятии этих волн человеческим глазом и мозгом. Когда мы говорим про монохроматический свет с длиной волны 400 нм, что он фиолетовый, мы хотим сказать, что таким его воспринимают наши глаза и мозг.

Диапазоны длин волн монохроматического света, соответствующие основным цветам радуги, примерно таковы:

красный: 750–620 нм

оранжевый: 620–590 нм

жёлтый: 590–575 нм

зелёный: 575–510 нм

голубой: 510–450 нм

синий: 450–480 нм

фиолетовый: 480–400 нм

У каждого монохроматического цвета есть дополнительный цвет: если из полного солнечного спектра убрать данный цвет, оставшаяся «смесь» будет восприниматься как дополнительный цвет. Так, дополнительный к фиолетовому – жёлтый (и наоборот), к красному – зелёный.

Но если глазу предъявить сразу несколько монохроматических цветов, ощущения «аккорда», как при слышании нескольких звуков, не возникнет, а будет ощущение какого-то одного цвета, зачастую такого, которого нет в радуге (розового, коричневого и многих-многих других, знакомых художникам). Увы, глаз не умеет определять спектральный состав света, его легко обмануть (в отличие от слуха). Смешивая разные монохроматические и немонохроматические цвета, можно получить все возможные цветовые оттенки. Но самое интересное, что все цвета, которые мы знаем, можно создать, смешивая всего три основных монохроматических ингредиента: красный, зелёный, синий, варьируя их относительную интенсивность.

Это объясняется тем, что на сетчатке есть три типа колбочек, содержащих три различных пигмента и проявляющих наибольшую чувствительность к различным диапазонам видимого спектра:

красно-оранжевому (примерно 600–700 нм);

жёлто-зелёному (примерно 500–600 нм);

сине-фиолетовому (примерно 400–500 нм).

На краях диапазоны чувствительности трёх типов колбочек частично перекрываются. Комбинации их возбуждений дают мозгу ощущения всей гаммы цветовых оттенков. Чтобы получить белый свет, надо или соединить все цвета радуги в той пропорции, в которой они присутствуют в спектре солнечного света, либо подобрать пропорцию трёх основных цветов (если не очень придираться к качеству, хватает и двух: синего и красного).

В случае отсутствия у человека одного или двух типов колбочек цветовосприятие нарушается. Этот дефект зрения называют дальтонизмом (по имени физика Дальтона – первого исследованного дальтоника). Дальтонизм обусловлен изменением в мужской хромосоме и встречается чаще у мужчин. А у небольшого числа женщин, наоборот, имеется четвёртый вид колбочек, позволяющий им различать гораздо больше цветовых оттенков.

Мы обсудили, как глаз реагирует на спектральный состав воспринимаемого излучения.

Поставим теперь вопрос немного иначе: почему предметы имеют разные цвета? От чего зависят их цвета?

Во-первых, от свойств самих предметов. Во-вторых, от спектрального состава освещения.

Дело в том, что вещества поглощают падающий на них свет избирательно: какие-то длины волн поглощаются, другие – отражаются, а чаще рассеиваются в разные стороны и попадают нам в глаза. Благодаря этому рассеянному свету мы и видим предметы, которые сами по себе не излучают видимый свет. Пусть, к примеру, предмет поглощает все длины волн, за исключением красных, которые он рассеивает. Тогда мы будем видеть его красным, но при условии, что красный свет присутствует в спектре внешнего освещения. Если же красная компонента в освещении отсутствует, предмету будет нечего отражать и рассеивать, и мы увидим его чёрным.

Но это очень простой пример. Не исключено, что тот предмет, который мы воспринимаем как красный, поглощает только зелёный, так что при освещении его полноценным белым светом в рассеянном свете присутствуют все цвета, кроме зелёного. А красная окраска объясняется тем, что это дополнительный цвет к зелёному, поэтому вычитая из полного спектра зелёный, получаем красный. Вообще, только по цвету предмета, без спектральных приборов, нельзя понять, что же именно он поглощает и что «отдаёт обратно».

Мы так привыкли воспринимать цвета предметов при солнечном освещении, что отождествляем их с этими цветами. Говоря, что листья зелёные, мы подразумеваем освещение белым светом. Содержащийся в листьях хлорофилл поглощает красную и синюю части солнечного света и отражает зелёную. Но представьте себе, что зелёного света не будет в составе освещения, тогда цвет листьев изменится. Осветите их в темноте красным фонариком – и листья станут чёрными. Для правильной (то есть привычной нам) цветопередачи спектр источника света должен быть максимально похож на солнечный. Мы вспомним этот факт, когда дойдём до обсуждения искусственных источников света.

Глаз может приспосабливаться к изменениям освещённости в столь же широких пределах, что и слух к изменениям громкости: наименьшая и наибольшая воспринимаемые интенсивности света отличаются в тысячу миллиардов (10¹²) раз! Что же позволяет этого добиваться?

Самое быстрое реагирование – это сужение или расширение зрачка. Он может изменяться в диаметре от 2 до 8 мм, при этом его площадь изменяется в 16 раз и во столько же раз – пропускаемый им световой поток.

Важная информация! Зрачок реагирует прежде всего на жёлто-зелёную часть спектра. Если «ударить» по глазам синим светом, зрачок почти не среагирует.

Но это не всё. Оказывается, внутри глаза присутствуют собственные «чёрные очки»: дно глаза выстлано чёрным пигментом, роль которого состоит в предохранении зрительных рецепторов от чересчур интенсивного света. При отсутствии света зёрна черного пигмента находятся на задней поверхности сетчатки, то есть позади светочувствительных клеток («очки сняты»). При освещении зёрна перемещаются навстречу падающему свету и проникают в слои сетчатки, поглощая значительную часть световой энергии и заслоняя тем самым палочки и колбочки от избыточного светового раздражения. Этот процесс занимает некоторое время, поэтому внезапно включающийся яркий свет ослепляет.

Для перехода от малых яркостей к большим требуется световая адаптация. При малом освещении работали палочки. Неожиданный яркий свет «ослепляет» палочки, их пигмент разрушается, и даже колбочки, не защищенные ещё зёрнами чёрного пигмента, раздражены слишком сильно. Для начала почти мгновенно сужается значок, но этого недостаточно. Только постепенно, по мере перемещения зёрен чёрного пигмента, прекращается неприятное чувство ослепления. Световая адаптация продолжается 8–10 мин.

Если же глаз первоначально имел дело с ярким светом, то после выключения света начинается темновая адаптация. На свету работали колбочки, палочки же были ослеплены, их пигмент выцвел, чёрный пигмент проник в сетчатку, заслоняя колбочки от света. При резком уменьшении освещения вначале в течение пяти минут раскроется шире отверстие зрачка, затем из сетчатки начнёт уходить чёрный пигмент, зрительный пигмент в палочках будет восстанавливаться, и когда его наберётся достаточно, они начнут функционировать. Сначала чувствительность глаза возрастает очень быстро, затем её рост замедляется. Требуется не менее часа пребывания в темноте, чтобы чувствительность глаза достигла своего максимального значения.

Глаз способен также к цветовой адаптации. Если, например, вы долго находились в комнате с насыщенным красным светом, то, выйдя из неё в помещение с нормальным освещением, вы будете воспринимать окружающие предметы как зеленоватые, что особенно заметно на белых участках. Это связано с тем, что при долгом раздражении красночувствительных колбочек в них распадается светочувствительный пигмент. Потом он восстановится, но не мгновенно. Это физиологическая цветовая адаптация.

Но есть ещё и психологическая адаптация: мозг всё время делает поправку на условия освещения. Вспомните фотографии, сделанные при свете ламп накаливания. Обращали внимание на неестественный красно-жёлтый оттенок? Это происходит потому, что фотокамера честно регистрирует то, что есть на самом деле. А мозг человека убирает любую постоянную примесь цвета, приспосабливаясь к условиям освещения. В нашей памяти заложены характеристики цветов известных предметов: бумаги, кожи человека, листвы и так далее. И при необходимости мозг компенсирует цветовую «вуаль», переосмысливая значения всех цветов, опираясь на известные как на эталоны. Естественно, если мозг убирает из спектра некую цветовую примесь, это искажает цвета некоторых объектов. Поэтому условия освещения играют такую важную роль в точной работе с цветом, да и просто для комфортного самочувствия.

Подытожим всё сказанное, чтобы ответить на вопрос: какое искусственное освещение было бы максимально комфортно для глаз? С непрерывным спектром (содержащим все цвета радуги), похожим на спектр солнечного света, то есть с максимумом интенсивности в жёлто-зелёной части. Желательно обеспечить наличие голубой (подчёркиваю: голубой, а не сине-фиолетовой!) спектральной составляющей в дневное время для выработки достаточного количества гормона бодрости – серотонина. И ещё более важно в вечернее время убирать синие цвета из спектра, чтобы не мешать организму готовиться ко сну.

Ну что ж, теперь мы вооружены необходимыми сведениями о свете и о нашей зрительной системе и готовы приступить к обсуждению достоинств и недостатков различных искусственных источников света.