Глаз и Солнце - Сергей Вавилов

Если бы задачей глаза было только возможно более экономичное восприятие световой энергии, то, разумеется, равномерная чувствительность во всем интервале 0,4–0,7 µ была бы лучшим решением задачи.

Но рассуждая так, мы подходим к вопросу слишком упрощенно и грубо. Биологически существенна не абсолютная чувствительность глаза к тем или иным световым волнам, а умение возможно лучше отличать освещенные предметы один от другого. Биологически видеть это не значит просто получить зрительное ощущение, а умение различать подробности окружающего. Узость и резкость кривой видности в значительной мере ослабляют влияние хроматической аберрации, что повышает отчетливость изображения на сетчатке. Этому же помогает различие отражательной способности для разных длин волн у разных тел. При этом чрезвычайно важно, что резкость контраста яркостей окраски разных тел окружающего чрезвычайно увеличивается оттого, что кривая видности глаза не пологая, а имеет резкий максимум и круто падает в обе стороны спектра. Именно поэтому предметы окружающего мира резко отделяются для глаза один от другого.

Рис. 36

Средняя годичная кривая распределения энергии полуденного Солнца для средних широт (верхняя кривая) I – кривая дневной видности; II – кривая сумеречной видности; III – кривая поглощения хлорофилла

Вернемся к тому, о чем шла речь в главе о свете, – к интерференционным кольцам Ньютона. Оказывается, что если бы мы стали промерять энергию, отраженную от линзы и стекла, прибором, одинаково чувствительным к любым волнам (этот прибор – термоэлемент), то мы совсем не заметили бы колец Ньютона! Только потому, что кривая видности глаза имеет форму довольно узкой кривой с резким максимумом, глаз хорошо видит эти кольца. С очень широкой кривой чувствительности глаза мы не увидели бы вокруг себя очень многого.

Следует заметить, что кривая видности для денного зрения почти совпадает со средней кривой распределения энергии солнечного света, отражаемого и рассеиваемого зелеными растениями. Это обстоятельство, конечно, весьма выгодно для существа, живущего среди растений и в значительной мере питающегося ими.

Перед нами пример удачного приспособления глаза к реальным условиям жизни на Земле и доказательство действительного родства глаза и Солнца.

При очень слабых освещенностях кривая видности довольно резко изменяется. На рисунках 34 и 36 слева дана кривая видности для слабых освещений: мы замечаем, что она значительно сдвинута в синюю область спектра сравнительно с кривой для ярких освещений. Физиологи дают такое объяснение этой особенности сумеречного зрения. В сетчатке, как мы видели, есть два вида светочувствительных элементов – колбочки и палочки. В денном зрении главную роль играют колбочки, но чувствительность их невелика; при ослаблении света они перестают действовать, и на сцену выступают палочки с другой кривой видности. С этой точки зрения кривая I на рисунке 36 соответствует «денным» колбочкам, а кривая II – «ночным» палочкам.

Если денная кривая видности есть итог приспособления глаза к солнечному свету, рассеянному атмосферой, зеленью и пр., то, казалось бы, мы вправе ожидать, что «ночная» кривая приспособлена к ночному небу. Свечение ночного неба (если на нем нет Луны, рассеивающей прямой солнечный свет) слагается из света звезд, из ничтожного рассеяния солнечных лучей, даже глубокой ночью слегка проникающих в атмосферу, и, наконец, из собственного свечения неба, составляющего значительную часть общего свечения. Это собственное свечение неба объясняется излучением атомов кислорода и азота в верхних слоях атмосферы. Спектр ночного свечения неба линейчатый, в особенности ярка зеленая линия с длиной волны 558 mµ. Собственное свечение неба достигает максимума около полуночи. Однако в вопросе о приспособленности «ночной» кривой видности к ночному небу до сего времени остаются некоторые трудности. Измерения суммарного распределения энергии света от звезд и от свечения неба еще недостаточны. По опытам П. П. Феофилова, произведенным зимою 1941 года, суммарное распределение энергии ночного неба оказалось эквивалентным черному излучателю с температурой 400°, т. е. было краснее, а не синее, как ожидалось. Измерения эти не могут, однако, считаться общезначимыми, они должны быть повторены и расширены на разные места Земли и времена года. Кроме того, еще раз важно подчеркнуть, что для глаза в трудных ночных условиях еще более чем в денных, важно не само зрительное ощущение, а возможность различения окружающих предметов одного от другого. Эти вопросы изучены еще очень мало. Нельзя думать, что перемещение кривой ночного видения в сторону коротких волн случайно. В соответствии со всем ходом развития живого естественно предположить, что указанное перемещение кривой ночной видности способствует увеличению различительной способности глаза в ночных условиях.

В отличие от глаза, который должен видеть, лист растения должен усваивать световую энергию для химических превращений. Это находит свое выражение в спектральном расположении кривой фотохимической чувствительности зеленого растения. На рисунке 36 площадью III отмечена основная кривая поглощения зеленого красящего вещества растений – хлорофилла. Ее максимум резко сдвинут по отношению к кривой дневной видности в сторону длинных волн. Насколько это биологически целесообразно, почему в данном случае выгоднее длинные волны?

Вернемся к основному фотохимическому закону, о котором мы говорили в главе о свете. Мы видели, что для осуществления химического превращения в молекуле необходимо поглотить один квант hν. Этот квант, конечно, должен по своей энергии превышать некоторую минимальную величину hν0, требующуюся для химического разложения, иначе реакция не пойдет. Поэтому ясно, что под действием инфракрасных лучей химические процессы мало вероятны.

С другой стороны, разложение может быть осуществлено всеми поглощающимися квантами hν, энергия которых больше hν0. Однако, сколь бы велика ни была энергия кванта, он будет поглощен только одной молекулой и произведет то же, что и квант с относительно малой энергией, но превышающей энергию hν0. Отсюда ясно, что фотохимически для растения наиболее выгодны кванты с наименьшей энергией (но большей hν0), т. е. с наибольшей допустимой длиной волны.

Если теперь принять во внимание кривую среднего распределения солнечного света, изображенную на рисунке 36 (верхняя кривая), то очевидно, что в равномерном участке между 450 и 650 mµ наиболее выгодно расположить кривую хлорофилла в области 600–700 mµ, где она действительно и находится.

Когда фотографу нужно переместить максимум спектральной чувствительности пластинки из одной области в другую, он прокрашивает светочувствительный слой разными органическими красителями – «сенсибилизаторами», получая таким образом фотографические слои, особо чувствительные, смотря по надобности, к красным, желтым, зеленым лучам. Совершенно то же, как мы убедились, происходит и в природе, причем сенсибилизаторами служат зрительный пурпур и хлорофилл.

Форма кривой видности имеет огромное значение для осветительной техники. В большинстве искусственных источников света используется излучение при нагревании (свечи, керосиновые лампы, лампочки накаливания и т. д.); в этом излучении только часть лучей видима, остальные бесследно пропадают для глаза. Если повышать температуру тела с черной поверхностью, то все бо́льшие порции лучистой энергии переходят из инфракрасной области в видимую, источник света становится выгоднее. Однако так будет продолжаться не всегда. При повышении температуры одновременно часть лучистой энергии перекачивает в невидимую ультрафиолетовую область. Теоретически возможно достигнуть таких температур, когда огромная часть лучистой энергии перейдет в невидимую область ультрафиолетовых и рентгеновых лучей. Значит, существует некоторая наивыгоднейшая для глаза температура накала источника света. Какова она?

Таблица 3

В таблице 3 указан процент лучистой энергии, проявляющейся как видимый свет для разных температур.

Мы видим, что наивыгоднейшей температурой будет 6000°, когда половина всей энергии превращается в видимый свет. Но это температура Солнца! Какая же связь имеется между излучением Солнца, черным телом и глазом? Не случайность ли найденное совпадение? После того что мы узнали о свете, Солнце и глазе, после того как для нас становится несомненным, что глаз развился вследствие существования Солнца, в известном смысле для Солнца и под действием Солнца, найденная связь становится вполне естественной и необходимой. И Солнце, и светящееся черное тело наблюдаются одним и тем же глазом. Но глаз приспособился к Солнцу, поэтому для него подобие спектра искусственного источника спектру Солнца есть наиболее совершенное решение задачи.