Новый физический фейерверк

Коренные жители Канады и Аляски стремились уменьшить отражения от ярко освещенных снежных и ледяных поверхностей, среди которых им приходилось жить. Прорези, через которые они смотрели, значительно уменьшали не только видимый свет и ультрафиолет, попадающий в глаза, но и инфракрасное излучение, вызывающее в глазах дискомфорт.

Черная краска на скулах американских футболистов уменьшает отражение света от щек в глаза, мешающее игроку видеть. Это отражение от щек особенно неприятно, если по щекам течет пот, а матч проводится либо днем под высоким солнцем, либо при ярком свете прожекторов в ночное время.

7.42. Хрусталики рыб

Наша способность видеть связана с тем, что глаз изгибает (преломляет) световые лучи так, что они образуют четкое изображение на сетчатке. Около двух третей этого преломления происходит на изогнутой поверхности роговицы, остальное — при прохождении лучей через хрусталик, который расположен на некотором расстоянии позади роговицы. Рыба отличается тем, что ее глаз находится в воде, а вода имеет примерно те же оптические свойства, что и глаз, свет в роговице уже не преломляется и световые лучи могут преломляться только в хрусталике. Более того, поскольку хрусталик рыбы должен сильно изгибать лучи, чтобы они сфокусировались сразу за ним, он должен быть почти сферическим. Однако сферическая линза страдает от сферических аберраций, поскольку лучи, проходящие близко к ее краям, входят под таким большим углом к поверхности линзы, что преломляются сильно, а лучи, распространяющиеся вдоль центральной оси линзы, входят под меньшими углами и, следовательно, изгибаются намного меньше. В результате лучи фокусируются в широком пятне позади линзы и, таким образом, не создают четкого изображения (рис. 7.7а). Фактически сферический хрусталик рыбы должен был бы сделать рыбу почти слепой. Как же тогда рыбам удается видеть?

Рис. 7.7 / Задача 7.42. Фокусировка световых лучей сферической линзой с постоянным показателем преломления (a) и градиентным показателем преломления (б).

ОТВЕТ • Степень преломления лучей при вхождении их в хрусталик и на выходе из него зависит от разницы в показателях преломления материалов. Если луч попадает из водно-белковой среды, заполняющей глазное яблоко, в хрусталик с большим показателем преломления, лучи сильно изогнутся. Если у хрусталика меньший показатель преломления, лучи изогнутся меньше. Хрусталик в рыбьем глазу имеет не постоянный показатель преломления: он больше вдоль центральной оси и меньше ближе к краям. В результате лучи, идущие вдоль центральной оси, и лучи, падающие ближе к периферии, создают изображение в одной относительно небольшой области за хрусталиком (рис. 7.7б).

Таким образом, рыба получает возможность видеть. Изменение показателя преломления, или градиент показателя преломления, возникает благодаря изменению свойств водно-белковой среды в глазу. Вы можете обнаружить эти меняющиеся свойства среды, рассмотрев глаз сырой или приготовленный рыбы: его текстура тверже вблизи центральной оси.

Хрусталик человека тоже имеет градиентный показатель преломления (его значения варьируют от больших до меньших в направлении от центра к периферии). Однако, поскольку мы живем в воздушной среде, а не в водной, человеческий глаз исправляет сферическую аберрацию главным образом на поверхности роговицы: поверхность роговицы не сферическая, а имеет специальную форму, чтобы компенсировать сферическую аберрацию.

Мечехвост Limulus также использует градиентный показатель преломления, но совершенно иначе. Его сложный глаз состоит из множества прозрачных фасеток, каждая из которых имеет гладкую плоскую поверхность. Свет проходит через фасетку, достигая зрительной системы в конце канала. Отсутствие кривизны должно было бы помешать формированию изображения, но, тем не менее, в каждой фасетке оно формируется. Вдоль центральной линии канала (идущего спереди назад) показатель преломления выше, чем по направлению к боковым стенкам канала. Таким образом, лучи света, проходящие вблизи центра фасетки, изгибаются больше, чем лучи, проходящие вблизи стенок. Разное искривление лучей заставляет их пересекаться друг с другом, образуя изображение после прохождения канала.

7.43. Ощущение объема на красно-синих плакатах

При ярком освещении кажется, что красные участки красно-синего плаката расположены перед соседними синими участками. А при более тусклом свете, наоборот, синие участки кажутся ближе, чем красные. Почему возникает ощущение глубины и почему в тусклом свете близкие и далекие поверхности меняются местами?