Восхождение на гору Невероятности

Для начала попробуем все рассчитать. Допустим, мы расширим малюсенькую дырочку и увеличим силу входящего светового потока. Но мы не оставим ее открытой, а закроем “волшебным окном” – умным электронным устройством, запаянным в стекло и подключенным к компьютеру (рис. 5.9). Управляемое с помощью компьютера стеклышко имеет одно свойство. Попадающий в него луч света выходит не прямо, а под определенным углом. Компьютер подбирает угол так, чтобы все лучи, исходящие из одной точки (например от кончика дельфиньего носа), после преломления сходились в соответствующей точке на сетчатке. Я нарисовал только те лучи, что идут от носа, но пред волшебным окном все точки, естественно, равнозначны, и для каждой выполняются одинаковые расчеты. Лучи, исходящие от кончика хвоста, преломляются и встречаются на сетчатке в соответствующей точке хвоста – и так для всех точек. Эффект волшебного окна – четкое изображение дельфина на сетчатке. Но благодаря тому, что во всех точках носа, хвоста и вообще всего тела дельфина на сетчатке сошлись целые пучки лучей (то есть, целые потоки фотонов), изображение получилось не такое темное, как если бы лучи непосредственно прошли сквозь узкое отверстие. Волшебное окно обладает плюсами узкого входного отверстия, но лишено его недостатков.

Рис. 5.9. “Компьютерный хрусталик” – сложный и крайне нерациональный гипотетический способ добиться резкого и одновременно яркого изображения.

Хорошо вот так взять и сотворить из ничего “волшебное окно” в своем воображении. Легко сказать – а сделать? Подумайте о том, какие сложные расчеты выполняет подключенная к волшебному окну машина. Компьютер обрабатывает данные о миллионах световых лучей, исходящих из миллионов всевозможных точек. Каждая частица поверхности дельфина посылает миллионы лучей под миллионом разных углов во все точки поверхности волшебного окна. Лучи пересекаются, словно прямые трассы на путаных многоуровневых дорожных развязках. Волшебное окно и соединенный с ним компьютер должны пропустить через себя все лучи по очереди и для каждого точно рассчитать свой угол преломления. Где раздобыть такой прекрасный компьютер – разве что обратиться к волшебнику? Неужели нас ждет горькое разочарование, неужели непреодолимое препятствие преградило нам путь к вершине?

Не все так печально. Компьютер на рисунке – всего лишь гипотетический пример того, сколь неразрешимой может показаться задача, если рассматривать ее только с одной стороны. Но если подойти к проблеме с другого бока, можно найти до смешного простой выход. Есть, оказывается, нехитрая вещь, которая обладает свойствами нашего волшебного окна и работает без компьютера, без высокотехнологичной электронной начинки и вообще без каких‐либо дополнительных условий. Это хрусталик. Компьютер больше не понадобится, потому что ничего не надо будет вычислять. Кусочек прозрачного материала с закругленными поверхностями автоматически, мгновенно выполняет сложнейшие расчеты углов для миллионов лучей. Прежде чем показать вам, что эволюция хрусталика должна была пройти без серьезных помех, я отвлекусь на небольшую прелюдию и объясню принцип действия линз.

По законам физики лучи, попадающие из одной прозрачной среды в другую, меняют направление (рис. 5.10). Угол выхода луча зависит от природы обеих сред, поскольку разные вещества имеют различные показатели преломления – этой величиной измеряется способность вещества менять направление световых лучей. У воды и стекла показатели преломления почти одинаковы, и в этом случае при переходе из одной среды в другую ход луча меняется незначительно. На границе стекла с воздухом луч преломляется гораздо сильнее, потому что воздух имеет относительно низкий показатель преломления. Излом луча на границе воды и воздуха настолько явственный, что нам кажется, будто весло погнулось.