Текст книги "Удивительная физика"

Что дает второй глаз?

Природа не зря наделила человека и животных двумя глазами – они позволяют видеть объем, оценивать расстояния до предметов. А по фотографии, снятой с помощью одной фотокамеры, сделать этого нельзя.

Но существуют и продаются так называемые стереоскопические камеры, состоящие либо из двух фотокамер, либо одной камеры, но с двумя объективами, отстоящими друг от друга на какое-то расстояние, наподобие глаз человека. На таком аппарате получаются две фотографии, хоть и незначительно, но отличающиеся друг от друга,

так как сняты они были под разными углами (рис. 130, а). Рассматриваются такие парные фотографии с помощью специального прибора – стереоскопа. Совмещение двух фотографий в одну (рис. 130, б) в нем достигается с помощью системы зеркал или лучше с помощью выпуклых стеклянных призм, которые к тому же увеличивают изображение.

Рис. 130. «Парные» фотографии, если их рассматривать раздельно (а) и в стереоскопе (б)

На верхней фотографии (см. рис. 130, а), где изображены графины и бокалы, намеренно бо2льшие из графинов отодвинуты назад, а ме2ньшие – придвинуты вперед. Поэтому размеры их на фотографиях одинаковы. Бокалы же кажутся разными. Но если взглянуть на эти снимки через стереоскоп, то станет видно, что на самом деле графины, чем правее, тем больше, а бокалы – одинаковы.

На нижней фотографии обе вазы и обе свечи кажутся одинаковыми, причем свечи одинаковой высоты с часами. При рассматривании через стереоскоп видна громадная разница в размерах и ваз, и свечей. Эти предметы намеренно были размещены на разных расстояниях от камер.

Можно обойтись здесь и без специального прибора, своим естественным стереоскопом – глазами. Для этого надо пристально глядеть в середину промежутка между двумя фотографиями, причем смотреть нужно как бы на предмет, расположенный дальше фотографии. Если у вас зрение нормальное и, более того, если вы к тому же молоды, то изображение после кратковременного раздвоения сольется, и вы увидите стереоскопическую картину (см. рис. 130, б).

Для тренировки стереоскопического зрения на рис. 131 помещены фигуры все возрастающей сложности, с которыми нужно проделать то же самое.

Рис. 131. Для тренировки стереоскопического зрения две точки должны слиться в одну (а); изображение должно показаться: трубой, уходящей вдаль (б); телами парящими в пространстве (в); тоннелем или коридором, уходящим вдаль (г); должно дать полную иллюзию прозрачного стекла и воды в аквариуме (д)

Если почему-либо опыты с «естественным» стереоскопом не выходят, сделайте себе стереоскоп сами. Возьмите стекла от очков для дальнозорких («плюсовые») и закрепите их в оправе так, чтобы смотреть только через внутренние края стекол (т. е. межцентровое расстояние оправы должно быть очень большим для вас), а между изображениями поместите перегородку так, чтобы на правое изображение смотреть только правым глазом, а на левое – левым (рис. 132). Эффект будет достигнут!

Рис. 132. Самодельный стереоскоп

Иногда хватает даже одной только перегородки, чтобы получить стереоскопическое изображение. Имея стереоскоп (хотя бы простейший), можно на опыте понять, что же такое блеск. Почему просто белая поверхность не кажется нам блестящей? Действительно, чем отличается матовая поверхность от блестящей, полированной? Тем, что матовая отражает свет во все стороны одинаково, а полированная – лишь в одном определенном направлении, в зависимости от направления падения света. Один глаз человека при этом получает больше отраженных лучей, чем второй. И мозг на основании опыта жизни подсказывает – вы смотрите на блестящий предмет!

А давайте перехитрим свой мозг и сделаем имитацию блестящего предмета, например драгоценного граненого камня на черном бархате. Поступим так, как учит нас знаменитый немецкий физик Герман фон Гельмгольц (1821—1894): «Когда на одной стереоскопической картине какая-нибудь плоскость изображена белой, а на другой – черной, то в соединенном изображении она кажется блестящей».

На рис. 133 изображены как раз две такие картинки. Взгляните на них через свой естественный стереоскоп, простейший (из очковых стекол с перегородкой) или настоящий прибор. Вы увидите блестящий драгоценный камень на фоне черного бархата!

Рис. 133. «Стереоскопический» бриллиант

С помощью стереоскопа можно обнаружить подделку документов или даже банкнот. Надо поместить на одну сторону настоящий, подлинный, образец, а на другую, – в котором сомневаетесь. При взгляде через стереоскоп даже малейшие отличия одного от другого будут выглядеть как сильные смещения вперед или назад неточно выполненных знака, точки или штриха.

И наконец, как усилить стереоскопический эффект? Ведь известно, что чем дальше от нас предмет, тем меньше угол зрения и тем более плоскостная картина предстает перед нами. Все светила кажутся нам на небе как бы на одном расстоянии, а тем не менее какая колоссальная разница между удалением от нас планет и звезд!

В обыкновенных земных условиях удаление на сотни метров лишает нас объемной картины, и все удаленное приобретает плоский вид. Слишком уж мало расстояние между глазами – каких-нибудь 5 – 6 см, по сравнению с сотнями метров.

А если наши глаза «раздвинуть»? Конечно, не в буквальном смысле слова, а с помощью приборов? На рис. 134 показан полевой бинокль и ход лучей в нем. Объективы там можно раздвинуть больше, чем окуляры, которые приставляются к глазам, стеклянные призмы позволяют сделать это. И картина в такой бинокль предстает нам не только приближенной, но и гораздо более рельефной.

Еще больший эффект получается с помощью специальной стереоскопической зрительной трубы, используемой, например, артиллеристами (рис. 135). В такую трубу предметы, удаленные даже на 25 км, кажутся объемными. И можно достаточно точно определить расстояние до предмета (например, цели) и перелет с недолетом снарядов при обстреле.

Рис. 134. Полевой бинокль и ход лучей в нем

А какая сказочная картина предстает перед наблюдателем при взгляде в такой прибор! Все вокруг выпукло, рельефно, ощутимо, до всего так и хочется дотянуться и потрогать! Если у вас есть знакомые артиллеристы, обязательно попросите их дать вам посмотреть в такую трубу!

Рис. 135. Стереоскопическая зрительная труба

Можно ли видеть как рыба?

Сравнение с рыбой в зрительных способностях мало кого обрадует. Вот «соколиный глаз» – дело хорошее. А «рыбий глаз» – на это можно и обидеться. Но рыба прекрасно видит в воде, а всякий, кто нырял с открытыми глазами, знает, как вода искажает изображение.

Прежде всего вода «обманывает» зрение, даже если смотреть под воду снаружи. Ложка, опущенная в стакан с водой, кажется изломанной (рис. 136). Монета, лежащая на дне пустой чашки и не видимая сидящему за столом, как бы приподнимается и становится видимой, если в чашку налить воды. Этот опыт и схема, поясняющая его, приведены на рис. 137 (а и б). Все это происходит из-за преломления лучей света в воде. Чем больше показатель преломления среды, тем сильнее отклонения лучей света при переходе из воздуха (или вакуума) в эту среду – воду, масло, стекло и т. д.

Рис. 136. Ложка в прозрачном стакане с водой

Рис. 137. Опыт со «вспыливанием» монеты (а) и схема, поясняющая его (б)

Вот почему опасно людям, не умеющим плавать, особенно детям, доверять глазу при определении глубины воды с берега. Дно покажется приподнятым, вода мелкой, причем ошибиться можно почти на треть глубины. Кажется, что там можно стать на дно, а оно оказывается куда глубже. Хорошо, хоть это искажение действительной глубины испугает любителей нырять в незнакомых местах – глубина покажется им недостаточной и опасной. С лодки или низких мостков дно мелкого пруда или озера кажется вогнутым, так как только под собой мы видим истинную глубину. Чем дальше, тем более приподнятым кажется дно.

Преломляется луч света и при переходе из воды в воздух, но уже в другую сторону. Поэтому из-под воды внешний мир кажется также искаженным. Но самое главное то, что в воде наш глаз будет видеть очень плохо, как у сильно дальнозорких людей. То есть тех, которые носят очки с сильными «плюсовыми» стеклами. Или как человек с нормальным зрением, надевший очки с сильными «минусовыми» стеклами.

Почему это происходит? Дело в том, что показатели преломления воды и жидкостей внутри глаза – стекловидного тела и водянистой влаги – практически одинаковы и равны 1,34. Чуть выше этот показатель у хрусталика – 1,43, но этого недостаточно, чтобы глаз видел нормально. Преломления лучей при переходе из воды в глаз почти не будет (разве только чуть-чуть в хрусталике!), и глаз будет «работать» как сильно дальнозоркий.

Казалось бы, выход есть – надеть сильные очки для дальнозорких, то есть с плюсовыми стеклами, и все в порядке! Но не тут-то было – обычные очковые стекла очень слабо действуют в воде, так как их показатель преломления 1,5 близок к таковому для воды. Нужны стекла из особого, насыщенного свинцом стекла под названием «флинтгласс» с показателем преломления, близким к 2. А еще лучше из горного хрусталя и даже из алмаза, который имеет максимальный показатель – 2,42.

Но это шутка, а если серьезно, то лучше алмаза использовать для подводных линз… воздух или даже пустоту. Действительно, если трудно найти материал с коэффициентом преломления существенно выше, чем у воды, то с меньшим – сколько угодно. Та же пустота, где этот показатель равен 1 (из пустоты в пустоту свет проходит, конечно же, без преломления), или воздух с очень близким к пустоте показателем. А линзу сделать из воздуха – пара пустяков.

Изготовил из тонкого стекла или прозрачной пластмассы полый сосуд в виде линзы – и в воду.

Раньше, когда экраны телевизоров были малы, перед ними ставили огромные полые «наливные» линзы. Так вот, если эту полую линзу не наполнять водой, а, напротив, пустой поместить в воду, то это будет такая же линза, но… с противоположным знаком, т. е. рассеивающая!

Ведь при переходе из воды в воздух лучи преломляются, как из воздуха в воду, но в другую сторону – тогда полая вогнутая, или рассеивающая, линза в воде становится собирающей, или «плюсовой» (рис. 138). Вот ее-то и надо вставлять в очки для ныряльщиков, чтобы они видели, как рыба!

Рис. 138. Полые линзы для ныряльщиков

Кстати, а как устроен глаз самой рыбы? Неужели там тоже «полые» линзы? Нет, хотя так было бы, наверное, удобнее. Но глаз у рыбы похож на глаз человека, только хрусталик имеет шарообразную форму (рис. 139) и имеет показатель преломления самый большой для животного мира.

Рис. 139. Разрез глаза рыбы

Так как шар уже не сделаешь более круглым, то при аккомодации он не становится более выпуклым, как у человека. Он придвигается или отодвигается от сетчатки, как объектив у фотоаппарата. Удобно и мудро!

Но как видят ныряльщики в масках или водолазы в шлемах? Здесь совершенно другое дело, потому что вода непосредственно не примыкает к глазу. Луч света при входе в воду преломляется, а при переходе снова в воздух шлема или маски делает это же, но в другую сторону. Поэтому через воздушную прослойку мы видим в воде почти так же, как и в воздухе.

Итак, если мы хотим представить себе, как видят рыбы из-под воды, лучше всего надеть линзы для ныряльщиков – выпуклые из флинтгласса или вогнутые полые, чтобы вода непосредственно омывала глаза. И тогда вам предстанет мир измененный и искаженный до неузнаваемости. А рыбы-то считают его нормальным!

Прежде всего, водная поверхность из-под воды кажется не плоской, а в форме конуса (такой огромной воронки, на дне которой находится наблюдатель). Верхний край этого конуса будет окружен радужным кольцом – это потому, что каждый цвет имеет свой показатель преломления, а белый свет разлагается на составляющие цвета, как в призме.

За краями этого конуса – блестящая, как ртуть, поверхность воды, в которой, словно в зеркале, отражаются все подводные предметы. Это дает о себе знать полное внутреннее отражение, которое, как в тех же стеклянных призмах, отражает свет лучше любого зеркала.

Этим, кстати, и объясняется защитная «зеркальная» окраска многих рыб, плавающих близ поверхности воды. На фоне блестящей поверхности воды они снизу не видны хищникам.

Фантастический вид приобрели бы предметы, которые частично погружены, а частично выступают над водой, например, люди, стоящие на дне мелководья (рис. 140).

Рис. 140. Фантастическая картина, которую видит ныряльщик из-под воды

Прежде всего, над головой висит воронка, в которой находится весь надводный мир. В этом конусе будут независимо ни от чего витать части тела купальщиков, выступающие из-под воды, например плечи и голова. При удалении их от наблюдателя части их тела, граничащие с водой, сжимаются все сильнее, и наступает момент, когда видны лишь свободно парящие головы над водой… Как в известной картине в стиле французского постимпрессионизма «Голова, реющая над водами». Тела купальщиков как бы раздваиваются, превращаясь каждое в два существа – верхнее безногое и нижнее безголовое, но зато с четырьмя ногами (две вверх и две вниз). Количество рук и вообще их наличие зависит от того, в воде или в воздухе они находятся. Наверное, нелишне заметить, что только нижние части купальщиков, стоящие на дне, и являются истинными, не искаженными. Выше идет отражение этих нижних частей и дна от зеркальной поверхности полного внутреннего отражения. А уже изуродованные «сжатые» верхние части туловища, реющие в отрыве от нижних, – это то, что мы видим в надводном мире.

Остается сказать, что такую картину не увидит ныряльщик в обычной маске или очках, прилегающих к глазам, когда глаза соприкасаются с воздухом. Поэтому изготовляйте полые воздушные линзы сами – и под воду! Жаль, что таких уже не продают в магазинах!

Но можно поступить и по-другому. Чтобы самому не лезть под воду, можно в спокойный и прозрачный пруд, озеро, бассейн или даже ванну погрузить зеркало и, наклонив его соответствующим образом, наблюдать в нем отражение надводных предметов. Легче всего осуществить этот эксперимент в своей ванной, хорошо осветив ее, чтобы лучше все увидеть.

А известный американский физик Вуд фотографировал под водой, только не обычными «подводными» камерами, а такими, где вода непосредственно соприкасается с пленкой (чтобы не было эффекта воздушной прослойки). И если дно пруда с воздуха кажется вогнутым, то железнодорожный мост, проходящий над рекой, сфотографированный из-под воды камерой Вуда, покажется выпуклым. Выпуклость эта направлена в сторону подводного фотографа, т. е. вниз (рис. 141).

Рис. 141. Железнодорожный мост из-под воды на фотографии Вуда

И если бы рыбы могли говорить, то они рассказали бы, что стены и потолок комнаты, где стоит их аквариум, – выпуклые, а люди возле аквариума стоят дугой, выпуклостью обращенной к ним, то бишь к говорящим рыбам!

Курьезы нашего зрения

Как ни совершенно наше зрение, но промахи оно совершает часто. Вот один из примеров. На том месте сетчатки, где зрительный нерв выходит в глазное яблоко (он еще не разделен на разветвления, снабженные светочувствительными «палочками» и цветочувствительными «колбочками»), находится «слепое пятно». Люди, десятки, а может, и сотни тысяч лет пользовавшиеся своими глазами, и не подозревали о слепой зоне в своем зрении. А ведь в этой зоне мог притаиться волк или иной хищник, или добыча, необходимая дикому человеку!

Только в XVII в. люди узнали о существовании этой слепой зоны, и знаменитый физик Мариотт (1620—1684) (который вместе с Бойлем открыл закон Бойля – Мариотта) в присутствии короля Людовика XIV ставил двух придворных друг против друга и просил их рассматривать одним глазом нарисованные им точки на стенах. Тогда каждому из придворных казалось, что у его партнера нет головы. Опасный опыт – он роковым образом материализовался во Франции в эпоху Великой революции!

Пользуясь рис. 142, можно обнаружить эту слепую зону и у себя. Рассматривая точку в крестике слева одним правым глазом (закрыв левый), медленно приближайте книгу к себе, пока большое черное пятно на пересечении окружностей не исчезнет. При этом сами окружности будут хорошо видны. И не следует думать, что это пятнышко маленькое – на небе, например, оно равно по площади 120 полным лунам!

Рис. 142. Рисунок для определения «слепой зоны» в глазу

Почему мы не замечаем этой слепой зоны? Да просто привычка. Некоторые из нас, купив модные, обычно солнцезащитные, очки, так и не снимают со стекла наклейки со значком престижной фирмы. Что ж, через неделю и эта наклейка перестает быть заметной – привыкли и к ней!

Зрение часто подводит нас и по другой причине. Глаз все воспринимает правильно, а вот мозг, делая свои выводы из увиденного, дает нам неверный ответ. На опыте жизни мы привыкли бессознательно делать какие-то выводы (хотя бы тот, что наш мир перевернут не «вверх ногами», как это видят глаза!), которые в необычных случаях оказываются неверными. Вот, например, что больше в этой «остробокой» фигуре – ширина или высота (рис. 143)? Почти каждый скажет, что высота. Потому что он бессознательно начнет склеивать отдельные горизонтальные фигурки и сделает ложный вывод. Между тем ширина и высота совершенно одинаковы. Измерьте линейкой и убедитесь.

Рис. 143. На этой фигуре высота кажется больше ширины

По отношению же к крупным предметам, которые не охватываются одним взглядом, эта иллюзия работает наоборот: всем известно, что костюм или платье в продольную полоску делает человека выше и худее, а в поперечную – ниже и полнее. Так очень часто умелые люди скрывают свои недостатки. Глаза человека при рассматривании больших предметов инстинктивно скользят вдоль полос – вот этот размер и кажется более длинным.

Глаз человека привык все сравнивать. Рядом с большим предметом или расстоянием все кажется более мелким, чем отдельно, само по себе. Например, на рис. 144 внутренний кружок на крышке банки кажется явно меньше ее дна. Между тем измерение показывает, что оба этих кружка одинаковы. Наличие большого круга на крышке зрительно уменьшает внутренний круг.

Рис. 144. Отверстие в крышке банки кажется меньше ее дна

По той же причине на рис. 145 расстояние АВ кажется больше, чем СД. Мы невольно сравниваем промежуток СД с большим пространством между крайними линиями, что играет не в пользу длины СД.

Рис. 145. Расстояние АВ кажется больше CD

Эта иллюзия до того сильна, что вы можете даже поспорить, какая из линий XY или XZ на рис. 146 длиннее? И выиграете спор, потому что линия XY явно кажется раза в полтора длиннее XZ. И хотя в это трудно поверить, эти линии одинаковой длины. Уберите остальные линии, путающие вас, и вы увидите, что обманный эффект исчез.

Рис. 146. Что больше – XY или XZ?

Очень путают ситуацию косые линии, пересекающие изображение. Женщины знают, что стоит чуть перекосить чулки, на которых имеются продольные линии, клетка или ромбы, чтобы ноги показались кривыми.

Убедитесь в поразительном действии косых линий – (рис. 147). Соединив в каждой букве линейкой угловые элементы, вы получите вертикально стоящие буквы с параллельными сторонами.

Рис. 147. В действительности эти «пьяные» буквы стоят прямо

Точно так же на рис. 148 спиральные линии отнюдь не таковы. Возьмите циркуль и убедитесь, что это самые настоящие окружности!

Рис. 148. Спиральные линии на рисунке – в действительности окружности

Очень обманывает зрение и цвет предметов: темные, а тем более черные предметы кажутся меньше светлых белых. Потому полные люди часто одеваются в темные одежды. Женщины знают, что темные чулки делают ногу стройнее. Но мало кто знает, что этот эффект может действовать столь сильно.

Рис. 149. Сколько черных кружков уместятся в пространстве между одним из верхних и нижним кружком?

Взгляните на рис. 149 и попробуйте определить, сколько черных кружков уместятся в пространстве между нижним и верхним кружком. Обычный ответ – четыре или пять. На самом деле – точно три кружка. Дело даже доходит до проверки, настолько сильна иллюзия! Светлое пространство кажется намного больше черных кружков.

Встречаются и более сложные, буквально, психологические курьезы. В Пантелеймоновском монастыре в Новом Афоне есть настенный рисунок, который вызывает интерес всех посетителей. Называется он «Бегство в Египет», на нем изображена Богоматерь с Младенцем, сидящая на ослике и едущая, по всей вероятности, из Иудеи в Египет, где святое семейство спасалось от репрессий царя Ирода, убивавшего всех младенцев. Так вот, ослик не только пристально смотрит вам в глаза, но и всем телом поворачивается к вам, в какой бы угол вы не зашли. Автор не мог найти объяснение эффекту, пока ему не попалась книжка Я. И. Перельмана «Занимательная физика», где он прочел следующее:

«Всем, вероятно, приходилось видеть портреты, которые не только смотрят прямо на нас, но даже следят за нами глазами, обращая их в ту сторону, куда мы переходим. Эта любопытная особенность таких портретов издавна подмечена и всегда казалась многим загадочной; нервных людей она положительно пугает. У Гоголя в „Портрете“ прекрасно описан подобный случай:

«Глаза вперились в него и, казалось, не хотели ни на что другое глядеть, как только на него… Портрет глядит мимо всего, что ни есть вокруг, прямо в него – глядит к нему вовнутрь…»

Немало суеверных легенд связано с этой таинственной особенностью глаз на портретах (вспомните тот же «Портрет»), а между тем разгадка ее сводится к простому обману зрения.

Все объясняется тем, что зрачок на этих портретах помещен в середине глаза. Именно таким мы видим глаза человека, который смотрит прямо на нас; когда же он смотрит в сторону, мимо нас, то зрачок и вся радужная оболочка кажутся нам находящимися не посредине глаза, но несколько перемещенным к краю. Когда мы отходим в сторону от портрета, зрачки, разумеется, своего положения не меняют – остаются посредине глаза. А так как, кроме того, и все лицо мы продолжаем видеть в прежнем положении по отношению к нам, то нам, естественно, кажется, будто портрет повернул голову в нашу сторону и следит за нами.

Таким же образом объясняются и другие озадачивающие особенности некоторых картин: лошадь едет прямо на нас, куда бы мы ни отходили от картины; человек указывает на нас – его протянутая вперед рука направлена прямо к нам и т. п.»

Подобными приемами часто пользовались и, вероятно, пользуются и сейчас, для изготовления плакатов и реклам. Подпишите под портретом налогового инспектора на рис. 150 слова: «А ты сполна заплатил налоги?», и вы получите устрашающий плакат. Глаза налогового инспектора найдут вас везде, куда бы вы ни спрятались.

Рис. 150. «А ты сполна заплатил налоги?»

И еще один курьез нашего зрения, тесно связанный с психикой, – это особенность зрения близоруких. Близорукий, без очков, разумеется, видит все расплывчато, мелкие детали ему не доступны. Лица людей, на которых он не различает морщинки, кажутся ему моложе, привлекательнее; кожа гладкой и чистой. Не различая мелочей досконально, близорукий сам домысливает их по своему вкусу. Он может сильно уменьшить возраст людей, которых видит, найти в обычных лицах неземную красоту.

Друг Пушкина, поэт Дельвиг, которого мы знаем по портрету в очках с металлической оправой и маленькими стеклами, был близорук. А в лицее (какая дикость!) ему запрещали носить очки. Может быть, поэтому он и стал лирическим поэтом: «…все женщины казались мне прекрасны; как я разочаровался после выпуска!» – вспоминал Дельвиг.