Представление о квантовой природе света важно также и для понимания способности глаза выделять тонкие детали. Одна из причин, почему мы можем читать при свете луны только крупный газетный шрифт, состоит в том, что количество квантов, попадающих на сетчатку, недостаточно, чтобы создать полный образ за тот короткий промежуток времени, который требуется глазу, чтобы интегрировать энергию, — это число порядка одной десятой секунды. В действительности это еще не все, что может быть сказано по этому поводу; чисто физический фактор, обусловленный квантовой природой света, способствует появлению хорошо известного зрительного феномена — ухудшению остроты зрения при тусклом свете. До последнего времени это явление трактовалось исключительно как свойство глаза. (В самом деле часто довольно трудно установить, следует ли относить тот или иной зрительный феномен к области психологии, физиологии или физики.
Как возникают изображения? Проще всего изображение может быть получено с помощью булавочного отверстия. Рис. 2, 6 показывает, как это делается.
Рис. 2, 6. Образование изображения с помощью булавочного отверстия. Лучи, исходящие из определенного участка источника света, достигают только одного участка экрана, так как они проходят через отверстие. Таким образом, на экране возникает изображение (перевернутое), созданное лучами, проходящими через отверстие. Изображение не искажено, но неясно и не очень отчетливо. Очень маленькое отверстие вызывает неясность изображения вследствие эффекта дифракции, обусловленного волновой природой света.
Луч от части предмета х может достигнуть только одной части экрана у — той части, которая расположена на прямой линии, проходящей через булавочное отверстие. Каждая часть предмета освещает соответствующую часть экрана, так что на экране создается перевернутое изображение предмета. Полученное с помощью булавочного отверстия изображение будет довольно тусклым, потому что для четкого изображения нужно еще меньшее отверстие (хотя, если отверстие слишком мало, изображение будет расплывчатым, поскольку нарушается волновая структура света).
Линза фактически представляет собой пару призм (рис. 2, 7). Они направляют поток света от каждой точки объекта к соответствующей точке экрана, давая, таким образом, яркое изображение.
Рис. 2, 7. Линза может представлять собой пару конвергирующих призм, образующих изображение пучка лучей. Изображение получается более ярким, чем с помощью булавочного отверстия, но, как правило, оно несколько искажено, при этом глубина фокуса ограничена.
В отличие от булавочного отверстия, линзы хорошо работают только тогда, когда соответствующим образом подобраны и правильно установлены. Хрусталик может быть неправильно настроен и не соответствовать глазу, в котором он находится. Хрусталик может фокусировать изображение спереди или сзади сетчатки, вместо того чтобы фокусировать его на самой сетчатке, что приводит к появлению близорукости или дальнозоркости. Поверхность хрусталика может быть недостаточно сферической и вызывать искажение или нарушение четкости изображения. Роговица может быть неправильной формы или иметь изъяны (возможно, вследствие повреждения металлической стружкой на производстве или песчинкой при вождении машины без предохранительных очков). Эти оптические дефекты могут быть скомпенсированы с помощью искусственных линз — очков. Очки исправляют дефекты аккомодации, изменяя силу хрусталика; они корригируют астигматизм, добавляя несферический компонент. Обычные очки не могут исправить дефекты поверхности роговицы, однако, новые роговичные линзы, установленные на самом глазу, образуют новую поверхность роговицы.
Очки удлиняют нашу активную жизнь. С их помощью мы можем читать и выполнять сложную работу в старости. До их изобретения работники умственного и физического труда становились беспомощными вследствие недостатков зрения, хотя они были еще сильны разумом.
3. В начале
Почти все живущее чувствительно к свету. Растения воспринимают энергию света, некоторые из них поворачиваются вслед за солнцем почти так, как будто у них есть зрение. Животные используют свет, тень и изображения, чтобы избежать опасности и преследовать свою добычу.
Первые простейшие глаза реагировали только на свет и изменение интенсивности света. Восприятие формы и цвета предполагает более сложное строение глаз, способных к формированию образов, и мозг, достаточно сложно организованный, чтобы интерпретировать нервные сигналы от оптических образов на сетчатке.
Более развитые глаза, способные формировать образ, развились из чувствительных к свету клеток, расположенных на поверхности тела простейших животных. Как это произошло — остается тайной, однако мы знаем некоторые эпизоды этой истории. Об одних мы узнали от ископаемых, о других — из сравнительного исследования живущих видов, а о третьих — из изучения быстротекущих стадий развития глаз в эмбриогенезе.
Представления о том, как развился глаз, весьма противоречат дарвиновской теории эволюции, согласно которой развитие осуществляется путем естественного отбора. Мы можем сделать много совершенно бесполезных экспериментальных моделей при конструировании нового аппарата, однако это невозможно при естественном отборе, так как каждое изменение должно давать некоторые преимущества его обладателю для того, чтобы быть отобранным и сохраненным поколениями. Какая польза от несовершенной линзы? Какая польза от линзы, дающей изображение, если нет нервной системы, способной перерабатывать эту информацию? Как могла возникнуть зрительная нервная система до того, как появился глаз, дающий ей информацию? В эволюции не могло быть общего плана, предвидения того, что следует создавать формы, которые бесполезны в данный момент, но будут иметь значение в свое время, когда в достаточной мере разовьются другие структуры. Даже развитие человеческого глаза и мозга шло медленным и болезненным путем проб и ошибок.
Реакция на свет обнаружена уже у одноклеточных. У высших животных мы находим клетки, специально приспособленные служить в качестве чувствительных к свету рецепторов. Эти клетки могут быть рассеяны по всей коже (как у земляного червя) или сгруппированы, чаще (всего выстилая впадины или углубления, которые и дали начало настоящему глазу, создающему изображение.
Весьма вероятно, что фоторецепторы скрывались в углублениях, потому что там они оказывались защищенными от яркого света, который уменьшал их способность улавливать движущуюся тень, предупреждающую о приближении опасности. Миллионы лет спустя по той же самой причине древние греческие астрономы выкапывали глубокие ямы в земле, откуда они могли наблюдать звезды в дневное время.
Простейшим глазным орбитам угрожала опасность попадания в них чужеродных частиц, мешающих восприятию света. Чтобы защитить их от опасности, над глазными орбитами развилась прозрачная защитная мембрана. Когда при мутационных изменениях эта мембрана стала тоньше в центре, она превратилась в примитивную линзу. Первые линзы обеспечивали только увеличение интенсивности света, однако позже они начинают успешно создавать изображение предметов. Древний тип глаза сохранился у одного вида моллюсков. Одно из живущих созданий — Nautilus — имеет еще более примитивный глаз без линзы, но с отверстием величиной с булавочную головку, с помощью которого он создает изображения. Внутренность глаза Nautilus’a омывается морем, в котором он живет, в то время как глаз с линзой заполнен специально вырабатываемой жидкостью, заменяющей морскую воду. Человеческие слезы — это видоизмененная вода первобытного океана, в котором находился первый глаз (рис. 3, 1).