Новый физический фейерверк

Когда в сумерках вдоль улицы включаются одновременно уличные фонари, может показаться, что те фонари, что стоят ближе, включаются раньше. Создается иллюзия того, что уличные фонари, установленные вдоль улицы, включаются поочередно, начиная от вас и дальше по цепочке. Кроме того, может показаться, что уличные фонари на перекрестках включаются немного раньше, чем фонари на широких улицах. Почему возникают такие иллюзии? Задержка не может объясняться тем, что току требуется некоторое время, чтобы добраться от одного уличного фонаря к другому, поскольку эта скорость слишком велика. Кроме того, вам кажется, что волна включения фонарей всегда начинается от вас, а в реальности так быть не может.

ОТВЕТ • На самом деле фонари включаются одновременно, а кажущееся их последовательное включение вызвано визуальной латентностью, описанной в предыдущей задаче. Ближайшие огни ярче, чем удаленные, поэтому зрительная система быстрее на них реагирует. Постепенно увеличивающаяся задержка в получении изображения от более удаленных фонарей в сумерках вызывает иллюзию поочередного их включения. Это объяснение может быть неполным. Время получения визуального сигнала может зависеть еще и от того, в какое место сетчатки попадает свет от уличных фонарей.

7.25. Полосы Маха

Предположим, объект освещается только одним ярким источником света (например, солнцем) и отбрасывает тень. Казалось бы, край тени должен быть размыт: темная область тени должна постепенно сменяться светлой. Однако во многих случаях я замечал две загадочные полосы, идущие параллельно краю. Темная полоса лежит внутри тени у ее границы, а яркая полоса лежит за пределами тени близко к ее границе (рис. 7.5). Если я сфотографирую тень и буду рассматривать ее край на фотографии, там я тоже увижу эти полосы. Их называют полосами Маха в честь Эрнеста Маха — австрийского физика и философа, первым исследовавшего это явление.

Рис. 7.5 / Задача 7.25. Полосы Маха, расположенные вдоль края тени.

Полосы Маха почти всегда возникают вдоль краев тени, но обычно на них не обращают внимания. Однако художник-неоимпрессионист Поль Синьяк отчетливо изобразил эти полосы, окаймляющие тени, на своей картине «Завтрак», написанной в 1887 году. Вы можете наблюдать их на своей собственной тени в лучах солнца. Если тень близко, например на стене, она будет слишком резко очерченной, и полосы Маха не сформируются. Полосы более ярко выражены, когда ваша тень падает на тротуар, особенно если вы движетесь.

Откуда берутся полосы? Они вызываются оптическими эффектами, возникающими на краях предмета, отбрасывающего тень, или же создаются зрительной системой наблюдателя?

ОТВЕТ • Полосы Маха создаются зрительной системой, поэтому приборы для измерения интенсивности света их не выявляют. Причем визуальная система создает эти полосы как при рассмотрении реальной тени, так и ее фотографии. Никто в настоящее время не может дать полное объяснение, почему возникает этот эффект. Я тоже объясню это лишь частично.

Полосы обусловлены взаимодействием (так называемым краевым контрастом) между группами фоторецепторов в глазу, нервными волокнами, передающими сигналы от фоторецепторов в мозг, и отделами головного мозга. Группа рецепторов, которая активируется светом, уменьшает интенсивность сигналов, посылаемых в мозг соседними группами.

Рассмотрим группы фоторецепторов, расположенных близко к краю участка сетчатки, на который проецируется тень. Группы рецепторов, далекие от тени, сильно активированы, они подавляют друг друга и поэтому посылают сигнал умеренной интенсивности, который ассоциируется сознанием с освещенной областью. Группы, находящиеся в тени, слабо активированы, поэтому слабо гасят друг друга и посылают в мозг слабый сигнал, который ассоциируется сознанием с темной областью.

Интересующие нас полосы образуются промежуточными группами, которые расположены между двумя этими группами вдоль границы тени. Рассмотрим группу, у которой в качестве соседей с одной стороны находятся сильно освещенные, а с другой стороны — слабо освещенные рецепторы. Первый набор соседей блокирует нашу группу, но второй набор почти не делает этого. Поскольку рецепторы этой группы подвергаются умеренному блокированию, они посылают более сильный сигнал в мозг, чем рецепторы, удаленные от тени. Такие группы вблизи края тени образуют яркую полосу Маха.

Рассмотрим другую промежуточную группу, у которой с одной стороны соседями являются рецепторы, на которые проецируется тень, а с другой — слабо освещенные рецепторы на границе тени. Группа образует темную полосу Маха, потому что она больше подавляется (с одной стороны находятся освещенные, хотя и слабо, фоторецепторы).

Полосы Маха заметны, когда край тени (переходный участок между хорошо освещенными и плохо освещенными областями) занимает примерно 0,2° в вашем поле зрения. Они не появляются, если край тени более резкий.

7.26. Перевернутый мир