Иллюзии зрения

Артамонов И. Д.

Глаз человека — этот самый точный и наиболее чувствительный орган наших ощущений — способен ошибаться.

В жизни встречается множество иллюзий (ошибок) зрения. Некоторые из них нам нежелательны, и мы ведем с ними борьбу; иные воспринимаем как забавные, а некоторые применяем с пользой для себя.

Об этом в популярной форме и рассказывает предлагаемая книга.

 

Введение

Существуют две точки зрения на несовершенство нашего зрительного аппарата.

Одна из них — идеалистическая, стремящаяся сделать вывод о невозможности познания объективного мира и о полном недоверии к нашим органам чувств вследствие отклонений чувственно воспринимаемых нами зрительных образов от реальности.

Другая — материалистическая, утверждающая, что наши чувственные восприятия лишь одна, первая, но не самая главная ступень познания. За чувственными восприятиями следует мышление, обобщающее и перерабатывающее данные ощущения. Основная ступень в процессе познания — это практика, или общественно-исторический опыт, позволяющий нам устанавливать объективные законы внешнего мира и углублять наши познания.

«От живого созерцания, — говорит Ленин, — к абстрактному мышлению и от него к практике — таков диалектический путь познания истины, познания объективной реальности».

Крупнейший немецкий физиолог XIX века Г. Гельмгольц справедливо указал на оптические несовершенства нашего глаза, говоря: «Если бы оптик захотел продать мне инструмент, обладающий поименованными недостатками, то я в сильнейших выражениях высказал бы неодобрение его работе и возвратил бы ее обратно». Однако он же выдвинул и чисто идеалистическое положение о роли ощущений в процессе познания: «Я обозначил ощущения как символы внешних явлений и отверг за ними всякую аналогию с вещами, которые они представляют».

Ф. Энгельс, критикуя точку зрения Гельмгольца, указывал, что «…специальное устройство человеческого глаза не является абсолютной границей для человеческого познания. К нашему глазу присоединяются не только еще другие чувства, но и деятельность нашего мышления».

Еще полнее и отчетливее материалистическое понимание роли ощущений в процессе познания изложено В. И. Лениным в книге «Материализм и эмпириокритицизм»: «Бесспорно, что изображение никогда не может всецело сравниться с моделью, но одно дело изображение, другое дело символ, условный знак. Изображение необходимо, неизбежно предполагает объективную реальность того, что «отображается». «Условный знак», символ, иероглиф суть понятия, вносящие совершенно ненужный элемент агностицизма». В. И. Ленин говорит, что отображение есть приблизительное, но «произвольным» его назвать нельзя, ибо наши ощущения отражают, копируют, фотографируют объективную реальность.

Тот факт, что огромное большинство людей получают иногда одинаковые ошибочные зрительные впечатления, говорит об объективности нашего зрения и о том, что оно, дополняемое мышлением и практикой, дает нам относительно точные сведения о предметах внешнего мира. Тот же факт, что разные люди в процессе зрительного восприятия обладают различной способностью ошибаться, иногда видят в предметах то, чего не замечают другие, говорит о субъективности наших зрительных ощущений и об их относительности.

Говоря в общем о причинах зрительных иллюзий (ошибок, обманов), следует, во-первых, указать, что иногда они появляются вследствие специально созданных, особых условий наблюдения, например: наблюдение одним глазом, наблюдение при неподвижных осях глаз, наблюдение через щель и т. п. Такие иллюзии исчезают при устранении необычных условий наблюдения.

Во-вторых, подавляющее большинство иллюзий зрения возникает не из-за оптических несовершенств глаза, а из-за ложного суждения о видимом, поэтому можно считать, что обман здесь наступает при осмысливании зрительного образа. Такие иллюзии исчезают при изменении условий наблюдения, при выполнении простейших сравнительных измерений, при исключении некоторых факторов, мешающих правильному восприятию.

Наконец, известен ряд иллюзий, обусловленных и оптическим несовершенством глаза, и некоторыми особыми свойствами различных анализаторов, участвующих в зрительном процессе (сетчатка, рефлексы нервов).

Возможны некоторые искажения зрительных ощущений в результате близорукости, дальнозоркости, дальтонизма и других дефектов зрительного аппарата, не характерных для большинства людей. Восприятие помещенного в книге материала людьми с разными зрительными способностями может не соответствовать изложению полностью, поскольку изложение в основном рассчитано на читателей с нормальным зрением.

Мы не рассматриваем при этом оптические фокусы и загадочные привидения, создаваемые при помощи зеркал, проекционных аппаратов и других технических устройств в театрах, кино и цирках, а также интересные оптические явления, иногда наблюдаемые в природе (миражи, гало, венцы). Появление последних обусловлено оптическими свойствами земной атмосферы. Во всех этих случаях наш глаз ошибается потому, что его умышленно обманывают или при помощи технических приспособлений, или за счет особого состояния среды между глазом и объектом наблюдения. В эту группу мы не включаем обманы зрения, возникающие у некоторых людей в сумерках и темноте, когда недостаточное освещение затрудняет работу глаз и создает особое настроение.

Марксистско-ленинский диалектический метод познания учит нас рассматривать недостатки зрительных ощущений в связи с положительным значением зрения в процессе познания, в связи с огромным многообразием явлений внешнего мира, воспринимаемых нашим зрением.

Оказывается, устранение некоторых недостатков нашего зрительного аппарата привело бы к целому ряду новых, еще более разительных иллюзий. Блестящее подтверждение этого положения мы находим в работах по эволюции зрения и по сравнительной физиологии зрения человека и животных, птиц, насекомых.

Исследования И. П. Павлова показали, что собаки обладают способностью различать ничтожные колебания яркости, но цветовое зрение у собак существует лишь в зачаточной форме, а у многих из них и совсем отсутствует.

Острота зрения у многих птиц больше, чем у человека, но известно, что животные, обладающие высокой остротой зрения, страдают ночной слепотой, а животные с хорошо развитым сумеречным зрением низкой остротой зрения.

Таким образом, зрение человека — замечательный дар природы, ему мы обязаны познанием многих явлений окружающего нас мира; оно по сумме своих качеств превосходит зрение других живых организмов, а присущие ему недостатки противоречиво обращаются в преимущества.

В настоящей книге описываются иллюзии (обманы, ошибки) зрения, возникающие благодаря особым оптическим свойствам нашего глаза, некоторым свойствам его сетчатки и определенной последовательности процесса зрительного восприятия. Описываются также случаи неточного (кажущегося) зрительного восприятия, обусловленные некоторыми геометрическими особенностями рассматриваемых объектов и возникающие часто из-за того, что заданы особые условия наблюдения. Речь здесь идет об иллюзиях зрения, связанных с устройством глаза, психологией и физиологией зрения. Многие иллюзии возникают независимо от сознания, самопроизвольно; зато и обнаруживаются очень просто при изменении условий наблюдения или при помощи весьма простых приспособлений.

Задача этой книги состоит не только в простом показе зрительных иллюзий, но и в объяснении их на основе известных в настоящее время сведений о зрительном аппарате человека и в указании способов исключения иллюзий при изменении внешних условий наблюдения.

Все иллюзии классифицированы по группам так, что в одной группе находятся ошибки, обусловленные одним и тем же свойством нашего органа зрения или одним и тем же, выработанным практикой, приемом зрительного восприятия. Это позволило для каждой группы иллюзий привести, возможно и неисчерпывающие, объяснения причин их появления.

Приведенные здесь иллюзии могут встретиться в практике работы архитекторов и художников, работников театра и кино, оформителей книг и светотехников, конструкторов и астрономов и работников других специальностей.

 

1. Краткие сведения об устройстве глаза и зрительных ощущениях

Глаз человека представляет собой почти шарообразное тело, которое покоится в костной черепной полости, открытой с одной стороны. На рис. 1 изображен разрез глазного яблока и показаны основные детали глаза.

Рис. 1. Схематический разрез глаза человека.

Основная часть глазного яблока с внешней стороны ограничена трехслойной оболочкой. Внешняя твердая оболочка называется склерой (по-гречески — твердость) или белковой оболочкой. Она охватывает со всех сторон внутреннее содержание глаза и непрозрачна на всем своем протяжении за исключением передней части. Здесь склера выдается вперед, совершенно прозрачна и носит название роговой оболочки.

К склере примыкает сосудистая оболочка, переполненная кровеносными сосудами. В передней части глаза, там, где склера переходит в роговую оболочку, сосудистая оболочка утолщается, отходит под углом от склеры и направляется к середине передней камеры, образуя поперечную радужную оболочку.

Если задняя сторона радужной оболочки окрашена только в черный цвет, глаза кажутся синими, чернота просвечивает через кожицу синеватым отливом подобно жилам на руках. Если бывают еще другие цветные включения, что зависит и от количества черного цветного вещества, то глаз нам кажется зеленоватым, серым и карим и т. д. Когда в радужной оболочке нет никакого цветного вещества (как, например, у белых кроликов), то она нам кажется красной от крови, заключенной в пронизывающих ее кровеносных сосудах. В этом случае глаза плохо защищены от света — они страдают светобоязнью (альбинизмом), но в темноте превосходят по остроте зрения глаза с темной окраской.

Радужная оболочка отделяет передний выпуклый сегмент глаза от его остальной части и имеет отверстие, называемое зрачком. Сам зрачок глаза черен по той же причине, что и окна соседнего дома при дневном освещении, которые кажутся нам черными, потому что прошедший через них снаружи свет почти не выходит обратно. Зрачок пропускает внутрь глаза в каждом отдельном случае определенное количество света. Зрачок увеличивается и уменьшается независимо от нашей воли, но в зависимости от условий освещения. Явление приспособления глаза к яркости поля зрения называется адаптацией. Однако основную роль в процессе адаптации играет не зрачок, а сетчатка.

Сетчаткой называется третья, внутренняя оболочка, представляющая собой свето- и цветочувствительный слой.

Несмотря на незначительную толщину, она имеет очень сложную и многослойную структуру. Светочувствительная часть сетчатки состоит из нервных элементов, заключенных в особую поддерживающую их ткань.

Светочувствительность сетчатки не на всем ее протяжении одинакова. В части ее, расположенной против зрачка и несколько выше зрительного нерва, она обладает наибольшей чувствительностью, но ближе к зрачку она становится все менее и менее чувствительной и, наконец, сразу обращается в тонкую оболочку, прикрывающую внутреннюю часть радужной оболочки. Сетчатка представляет собой разветвления по дну глаза нервных волокон, которые затем сплетаются между собой и образуют зрительный нерв, который сообщается с головным мозгом человека.

Существуют два вида окончаний нервных волокон, выстилающих сетчатку: одни, имеющие вид стебелька и относительно длинные, называются палочками, другие, более короткие и более толстые, называются колбочками. Около 130 миллионов палочек и 7 миллионов колбочек насчитывают на сетчатке. Как палочки, так и колбочки очень малы и видны только при увеличении в 150–200 раз под микроскопом: толщина палочек около 2 микрон (0,002 мм), а колбочек 6–7 микрон. В наиболее чувствительном к свету месте сетчатки против зрачка расположены почти одни колбочки, плотность их здесь достигает 100 000 на 1 мм2, причем каждые два-три светочувствительных элемента соединены непосредственно с нервными волокнами. Здесь находится так называемая центральная ямка диаметром 0,4 мм. Вследствие этого глаз обладает способностью различать мельчайшие детали лишь только в центре поля зрения, ограничиваемом углом в 1°,3. Так, например, опытные шлифовщики различают просветы в 0,6 микрона, тогда как обычно человек способен заметить просвет в 10 микрон.

Ближайшая к центральной ямке область, так называемое желтое пятно, имеет угловое протяжение 6–8°.

Палочки расположены в пределах всей сетчатки, причем наибольшая концентрация их наблюдается в зоне, смещенной на 10–12° от центра. Здесь на одно волокно зрительного нерва приходится несколько десятков и даже сотен палочек. Периферическая часть сетчатой оболочки служит для общей зрительной ориентировки в пространстве. При помощи специального глазного зеркала, предложенного Г. Гельмгольцем, можно видеть на сетчатке второе пятно, имеющее белую окраску. Это пятно расположено на месте ствола зрительного нерва, и так как здесь уже нет ни колбочек, ни палочек, то этот участок сетчатки не чувствителен к свету и называется поэтому слепым пятном. Слепое пятно сетчатки имеет диаметр 1,88 мм, что соответствует 6° по углу зрения. Это значит, что человек с расстояния 1 м может не видеть предмета, имеющего диаметр около 10 см, если изображение этого предмета проектируется на слепое пятно. Палочки и колбочки различаются по своим функциям: палочки обладают большой чувствительностью, но не «различают» цветов и являются аппаратом сумеречного зрения, т. е. зрения при слабом освещении; колбочки чувствительны к цветам, но зато менее светочувствительны и поэтому являются аппаратом дневного зрения.

У многих животных за сетчаткой находится тонкий мерцающий зеркальный слой, усиливающий действие попадающего в глаз света путем отражения. Глаза таких животных блестят в темноте как раскаленные уголья. Речь идет не о полной темноте, где это явление, конечно, наблюдаться не будет.

Адаптация зрения является сложным процессом переключения глаза с работы колбочковым аппаратом на палочковый (темновая адаптация) или наоборот (световая адаптация). При этом до сих пор остаются неизвестными процессы изменения концентрации светочувствительных элементов в клетках сетчатки, когда чувствительность ее повышается при темновой адаптации в десятки тысяч раз, а также и прочие изменения свойств сетчатки в различных фазах адаптации. Фактические данные процесса адаптации определены достаточно строго и могут быть здесь приведены. Так, в процессе темновой адаптации чувствительность глаза к свету сначала быстро повышается, и это продолжается около 25–40 минут, причем время зависит от уровня начальной адаптации. При длительном пребывании в темноте чувствительность глаза к свету повышается в 50 000 раз и достигает абсолютного светового порога.

Выражая абсолютный порог в люксах освещенности на зрачке, получают в среднем величину порядка 10-9 люкс.

Это значит, грубо говоря, что в условиях полной темноты наблюдатель смог бы заметить свет от одной стеариновой свечи, удаленной от него на расстоянии 30 км. Чем выше яркость начального поля адаптации, тем медленнее приспосабливается глаз к темноте, и в этих случаях пользуются понятием относительных порогов чувствительности.

При обратном переходе от темноты к свету процесс адаптации до восстановления некоторой «постоянной» чувствительности длится всего лишь 5–8 минут, и чувствительность изменяется всего лишь в 20–40 раз. Таким образом, адаптация — это не просто изменение диаметра зрачка, но и сложные процессы на сетчатке и в связанных с нею через зрительный нерв участках коры головного мозга.

Сразу же за зрачком глаза расположено совершенно прозрачное, эластичное тело, заключенное в особую сумку, прикрепленную к радужной оболочке системой мышечных волокон. Это тело имеет форму собирательной двояковыпуклой линзы и носит название хрусталика. Назначение хрусталика состоит в том, чтобы преломлять световые лучи и давать на сетчатке глаза ясное и отчетливое изображение предметов, находящихся в поле зрения.

Следует заметить, что в образовании изображения на сетчатке кроме хрусталика принимает участие и роговица, и внутренние полости глаза, заполненные средами с показателями преломления, отличающимися от единицы.

Преломляющая способность всего глаза в целом, а также отдельных частей его оптической системы зависит от радиусов ограничивающих их поверхностей, от показателей преломления веществ и взаимного расстояния между ними. Все эти величины для разных глаз имеют различные значения, поэтому и оптические данные разных глаз различны. В связи с этим вводится понятие схематического или приведенного (редуцированного) глаза, у которого: радиус кривизны преломляющей поверхности 5,73 мм, показатель преломления 1,336, длина глаза 22,78 мм, переднее фокусное расстояние 17,054 мм, заднее фокусное расстояние 22,78 мм.

Хрусталик глаза образует на сетчатке (так же как объектив фотоаппарата на матовой пластинке) перевернутое изображение тех предметов, на которые мы смотрим. В этом легко убедиться. Возьмем кусок плотной бумаги или почтовую открытку и проколем в ней булавкой маленькое отверстие. Затем поставим булавку головкой вверх на расстояние 2–3 см от глаза и будем смотреть этим глазом через отверстие в бумаге, поставленной на расстояние 4–5 см, на яркое дневное небо или на лампу в молочной колбе. Если подобраны благоприятные для данного глаза расстояния между глазом и булавкой, булавкой и бумагой, то в светлом отверстии мы будем видеть то, что изображено на рис. 2.

Рис. 2

Тень булавки на сетчатке будет прямой, но изображение булавки нам будет казаться перевернутым. Любое перемещение булавки в стороны будет восприниматься нами как перемещение ее изображения в обратном направлении. Очертание булавочной головки, не очень четкое, будет казаться при этом находящимся по ту сторону листка бумаги.

Тот же опыт можно проделать иным способом. Если в куске плотной бумаги проколоть три отверстия, расположенные в вершинах равностороннего треугольника со сторонами, приблизительно равными 1,5–2 мм, и затем расположить, так же как и ранее, булавку и бумагу перед глазом, то будут видны три обратных изображения булавки.

Эти три изображения образуются благодаря тому, что лучи света, проходящие через каждое из отверстий, не пересекаются, так как отверстия находятся в передней фокальной плоскости хрусталика. Каждый пучок дает прямую тень на сетчатке, и каждая тень воспринимается нами как перевернутое изображение.

Если приставить к глазу бумагу с тремя отверстиями, а к источнику света — бумагу с одним отверстием, то наш глаз будет видеть обращенный треугольник. Все это убедительно доказывает, что наш глаз все предметы воспринимает в прямом виде потому, что рассудок переворачивает их изображения, получающиеся на сетчатке.

Еще в начале 20-х годов американец А. Стрэттон и в 1961 г. профессор Калифорнийского института доктор Ирвин Муд поставили на себе интересный эксперимент. В частности, И. Муд надел плотно прилегающие к лицу специальные очки, через которые видел все так, как на матовом стекле фотоаппарата. Восемь дней он, проходя несколько десятков шагов, ощущал симптомы морской болезни, путал левую сторону с правой, верх и низ. А потом, хотя очки по-прежнему были перед глазами, снова увидел все таким, каким видят все люди. Ученый снова обрел свободу движений и способность к быстрой ориентировке.

В своих очках он проехал на мотоцикле по самым оживленным улицам Лос-Анжелоса, водил автомобиль, пилотировал самолет. А затем Муд снял очки — и мир вокруг него опять «перевернулся». Пришлось ждать еще несколько дней, пока все вошло в норму. Эксперимент еще раз подтвердил, что воспринимаемые зрением образы попадают в мозг не такими, какими их передает на сетчатку оптическая система глаза. Зрение — это сложный психологический процесс, зрительные впечатления согласуются с сигналами, получаемыми другими органами чувств.

Требуется время, прежде чем вся эта сложная система настроится и начнет функционировать нормально. Именно такой процесс происходит с новорожденными, которые первое время видят все перевернутым и лишь спустя некоторое время начинают воспринимать зрительные ощущения правильно.

Поскольку сетчатка не является плоским экраном, а имеет скорее сферическую форму, то и изображение на ней не будет плоским. Однако и этого мы не замечаем в процессе зрительного восприятия, так как наш рассудок способствует тому, чтобы мы воспринимали предметы такими, какие они есть в действительности.

Сумка, в которой укреплен хрусталик, представляет собой кольцеобразную мышцу. Эта мышца может находиться в состоянии натяжения, что заставляет хрусталик принимать наименее искривленную форму. Когда натяжение этой мышцы уменьшается, хрусталик под действием упругих сил увеличивает свою кривизну. Когда хрусталик растянут, он дает на сетчатке глаза резкое изображение предметов, находящихся на больших расстояниях; когда же он не растянут и кривизна его поверхностей велика, то на сетчатой оболочке глаза получается резкое изображение близких предметов. Изменение кривизны хрусталика и приспособление глаза к отчетливому восприятию далеких и близких предметов представляет собой еще одно весьма важное свойство глаза, которое называется аккомодацией.

Явление аккомодации легко наблюдать следующим образом: будем смотреть одним глазом вдоль натянутой длинной нити. При этом, желая видеть близкие и дальние участки нити, мы будем менять кривизну поверхностей хрусталика. Заметим, что на расстоянии до 4 см от глаза нить вообще не видна; только начиная с 10–15 см мы ее видим четко и хорошо. Это расстояние различно для людей молодых и старых, для близоруких и дальнозорких, причем для первых оно меньше, а для вторых больше. Наконец, наиболее удаленная от нас часть нити, видимая четко при данных условиях, будет также различно удалена для этих людей. Близорукие люди не будут видеть нить далее 3 м.

Оказывается, например, что для рассматривания одного и того же печатного текста у различных людей будут различные расстояния наилучшего видения. Расстояние наилучшего видения, на котором нормальный глаз испытывает наименьшее напряжение при рассматривании деталей предмета, составляет 25–30 см.

Пространство между роговицей и хрусталиком известно под названием передней камеры глаза. Эта камера заполнена студенистой прозрачной жидкостью. Вся внутренность глаза между хрусталиком и глазным нервом заполнена несколько иного рода стекловидным телом. Являясь средой прозрачной и преломляющей, это стекловидное тело в то же время способствует сохранению формы глазного яблока.

В заключении к своей книге «О летающих тарелках» американский астроном Д. Мензел пишет: «Во всяком случае помните, что летающие тарелки: 1) действительно существуют; 2) их видели; 3) но они совсем не то, за что их принимают».

В книге описаны многие факты, когда наблюдатели видели летающие тарелки или подобные им необычные светящиеся предметы, и приведено несколько исчерпывающих объяснений различных оптических явлений в атмосфере.

Одним из возможных объяснений появления в поле зрения светящихся или темных предметов могут быть так называемые энтоптические явления в глазу, заключающиеся в следующем.

Иногда, устремляя взгляд на яркое дневное небо или на освещенный солнцем чистый снег, мы видим одним глазом или двумя маленькие темные кружочки, которые опускаются вниз. Это не обман зрения и не какой-либо недостаток глаза. Небольшие включения в стекловидное тело глаза (например, крошечные сгустки крови, попавшие туда из кровеносных сосудов сетчатки) при фиксации взгляда на очень светлый фон отбрасывают тени на сетчатку глаза и становятся ощутимыми. Каждое движение глаза как бы подбрасывает эти мельчайшие частички, а потом они под действием силы тяжести опускаются.

Предметы самого различного вида, например пылинки, могут находиться на поверхности нашего глаза. Если такая пылинка попадет на зрачок и будет озарена ярким светом, она покажется большим светлым шаром с неясными очертаниями. Ее можно принять за летающую тарелку, и это уж будет иллюзия зрения.

Подвижность глаза обеспечивается действием шести мышц, прикрепленных, с одной стороны, к глазному яблоку, а с другой — к глазной орбите.

Когда человек рассматривает, не поворачивая головы, неподвижные предметы, расположенные в одной фронтальной плоскости, то глаза или остаются неподвижными (фиксированными) или быстро меняют точки фиксации скачками. А. Л. Ярбусом разработана точная методика определения последовательных перемещений глаза при рассматривании различных предметов. В результате опытов установлено, что глаза остаются неподвижными 97 % времени, но зато время, затраченное на каждый акт фиксации, мало (0,2–0,3 сек), и в течение одной минуты глаза могут менять точки фиксации до 120 раз. Интересно, что у всех людей продолжительность скачков (для одних и тех же углов) совпадает с изумительной точностью: ±0,005 сек.

Продолжительность скачка не зависит от попыток наблюдателя «совершить» скачок побыстрее или помедленнее.

Она зависит только от величины угла, на который совершается скачок. Скачки обоих глаз совершаются синхронно.

Когда человек «плавно» обводит взором какую-нибудь неподвижную фигуру (например, круг), ему кажется, что глаза движутся непрерывно. В действительности же и в этом случае движение глаз скачкообразно, причем величина скачков очень мала.

При чтении глаз читающего останавливается не на каждой букве, а только на одной из четырех—шести, и, несмотря на это, мы понимаем смысл прочитанного.

Очевидно, при этом используется заранее накопленный опыт и сокровища зрительной памяти.

При наблюдении движущегося объекта процесс фиксации происходит при скачкообразном перемещении глаз, с той же результирующей угловой скоростью, с которой движется и объект наблюдения; при этом изображение объекта на сетчатке остается относительно неподвижным.

Укажем вкратце на другие свойства глаза, которые имеют отношение к нашей теме.

На сетчатой оболочке глаза получается изображение рассматриваемых предметов, причем всегда предмет нам виден на том или ином фоне. Это означает, что некоторая часть светочувствительных элементов сетчатки раздражается световым потоком, распределенным по поверхности изображения предмета, а окружающие светочувствительные элементы раздражаются потоком от фона. Способность глаз обнаруживать рассматриваемый объект по его контрасту с фоном называется контрастной чувствительностью глаза. Отношение разности яркостей предмета и фона к яркости фона называется контрастом яркости. Контраст увеличивается, когда при неизменной яркости фона увеличивается яркость объекта или при неизменной яркости объекта уменьшается яркость фона.

Способность глаза различать форму предмета или его детали называют остротой различения. Если изображение двух близких точек на сетчатой оболочке глаза возбудит соседние светочувствительные элементы (причем если разность яркостей этих элементов выше пороговой разности яркостей), то эти две точки видны раздельно. Наименьший размер видимого предмета определяется наименьшим размером его изображения на сетчатке глаза. Для нормального глаза этот размер равен 3,6 микрона. Такое изображение получается от предмета размером 0,06 мм, расположенного на расстоянии 25 см от глаза.

Правильнее определить предел углом зрения; для указанного случая он составит 50 угловых минут. Для больших расстояний и ярко светящихся предметов предельный угол зрения уменьшается. Пороговой разностью яркостей в данных условиях мы называем наименьший перепад яркостей, воспринимаемый нашим глазом.

Практически глаз обнаруживает разность яркостей в 1,5–2 %, а в благоприятных условиях до 0,5–1 %. Однако пороговая разность яркостей сильно зависит от многих причин: от яркости, к которой глаз был предварительно приспособлен, от яркости фона, на котором будут видны сравниваемые поверхности. Замечено, что сравнивать темные поверхности лучше на фоне более темном, чем сравниваемые поверхности, а светлые поверхности, наоборот, — на более ярком фоне.

Источники света, находящиеся достаточно далеко от глаза, мы называем «точечными», хотя в природе светящихся точек не существует. Видя эти источники, мы ничего не можем сказать о их форме и диаметре, они нам кажутся лучистыми, как и далекие звезды. Эта иллюзия зрения обусловлена недостаточной остротой различения (разрешающей способностью) глаза.

Во-первых, вследствие неоднородности хрусталика лучи, проходящие через него, преломляются так, что звезды окружаются лучистым ореолом.

Во-вторых, изображение звезды на сетчатке настолько мало, что не перекрывает двух светочувствительных элементов, разделенных хотя бы одним нераздраженным элементом. Разрешающая способность глаза увеличивается при помощи оптических приборов наблюдения и, в частности, телескопов, через которые, например, все планеты видны нам как круглые тела.

Приведение осей обоих глаз в положение, необходимое для наилучшего восприятия расстояний, называется конвергенцией. Результат действия мышц, перемещающих глаз для лучшего видения близких и дальних предметов, можно наблюдать следующим образом. Если мы будем смотреть через сетку на окно, то неясные отверстия сетки будут нам казаться большими, а если же смотреть на карандаш перед этой сеткой, то отверстия сетки будут казаться значительно меньшими.

Точки сетчаток двух глаз, обладающие тем свойством, что раздражающий объект виден нам находящимся в одной точке пространства, называются корреспондирующими.

Благодаря тому, что два наших глаза находятся на некотором расстоянии и их оптические оси скрещиваются определенным образом, изображения предметов на разных (не корреспондирующих) участках сетчаток получаются тем более отличными одно от другого, чем ближе к нам находится рассматриваемый предмет. Автоматически, как нам кажется, как бы без участия сознания, мы учитываем эти особенности изображений на сетчатках, и по ним не только судим об удаленности предмета, но и воспринимаем рельеф и перспективу. Эта способность нашего зрения называется стереоскопическим эффектом (греческое стерео — объем, телесность). Нетрудно понять, что наш мозг при этом так же выполняет определенную работу, как и при переворачивании изображения предмета на сетчатке.

Наш орган зрения обладает еще весьма замечательным свойством: он различает огромное многообразие цветов предметов. Современная теория цветового зрения объясняет эту способность глаза наличием на сетчатой оболочке трех видов первичных аппаратов.

Видимый свет (волны электромагнитных колебаний длиною от 0,38 до 0,78 мк) возбуждает эти аппараты в разной степени. Опытом установлено, что колбочковый аппарат обладает наибольшей чувствительностью к желто-зеленым излучениям (длина волны 0,555 мк). В условиях же действия сумеречного (палочкового) аппарата зрения максимум чувствительности глаза смещается в сторону более коротких волн фиолетово-синего участка спектра на 0,45—0,50 мк. Эти возбуждения первичных аппаратов сетчатки обобщаются корой головного мозга, и мы воспринимаем определенный цвет видимых предметов.

Все цвета принято делить на хроматические и ахроматические. Каждый хроматический цвет имеет цветовой тон, чистоту цвета и яркость (красный, желтый, зеленый и т. д.). Ахроматические цвета в сплошном спектре отсутствуют — они бесцветны и отличаются друг от друга только яркостью. Эти цвета образуются благодаря избирательному отражению или пропусканию дневного света (белый, все серые и черный цвет). Текстильщики, например, способны различать до 100 оттенков черного цвета.

Таким образом, зрительные ощущения позволяют нам судить о цвете и яркости предметов, о их размерах и форме, о их движении и взаимном расположении в пространстве. Следовательно, и восприятие пространства является в основном функцией зрения.

В этой связи уместно остановиться еще на одном способе определения взаимного расположения предметов в пространстве — на способе зрительного параллакса.

Расстояние до предмета оценивают или по тому углу, под которым виден этот предмет, зная угловые размеры других видимых предметов, или пользуясь стереоскопической способностью зрения, которая и создает впечатление рельефности. Оказывается, что на удалении, большем 2,6 км, рельеф уже не воспринимается. Наконец, расстояние до предмета оценивается просто степенью изменения аккомодации или путем наблюдения положения этого предмета по отношению к положению других предметов, находящихся на известных нам расстояниях.

При ложном представлении о размере предмета можно допустить большую ошибку в определении расстояния до него. Оценка расстояния с помощью обоих глаз значительно точнее, чем при помощи одного глаза. Один глаз оказывается полезнее, чем два при определении направления на предмет, например при прицеливании. Когда глаз рассматривает не предмет, а изображение, полученное с помощью линз или зеркал, то все указанные выше способы определения расстояния до предмета иногда оказываются неудобными, а то и вовсе непригодными.

Как правило, размеры изображения совершенно не совпадают с размерами самого предмета, поэтому ясно, что мы не можем судить о расстоянии по видимым размерам изображения. При этом очень трудно отделить изображение от самого предмета, и это обстоятельство может явиться причиной очень сильного оптического обмана.

Например, предмет, рассматриваемый через вогнутые чечевицы, кажется находящимся от нас на гораздо большем расстоянии, чем в действительности, ибо его видимые размеры меньше истинных. Эта иллюзия настолько сильна, что она более чем нейтрализует определение расстояния, к которому нас приводит аккомодация глаза. Поэтому нам остается прибегнуть только к единственному способу, при помощи которого мы можем, без всяких приборов, судить о расстоянии до предмета, а именно, к определению положения данного предмета по отношению к другим предметам. Этот метод и именуется методом параллакса. Если наблюдатель встанет перед окном (рис. 3), а между окном и наблюдателем будет находиться какой-нибудь предмет, скажем штатив на столе, и если, далее, наблюдатель передвинется, например влево, то он увидит, что штатив как бы передвинулся вдоль окна вправо. С другой стороны, если наблюдатель взглянет через окно на какой-нибудь предмет, скажем на ветви деревьев, и передвинется в том же направлении, то и предмет за окном передвинется туда же. Заменяя окно линзой и наблюдая через линзу изображение печатного текста, можно определить, где находится это изображение: если за линзой, то оно будет перемещаться при перемещении глаза в ту же сторону, что и глаз. Если же изображение ближе к глазу, чем линза, то оно будет перемещаться в направлении, обратном перемещению глаза.

Рис. 3. Явление параллакса. При движении наблюдателя вправо С и D перемещаются вдоль окна влево (причем С перемещается меньше, чем D ). Одновременно ветки дерева за окном ( А и В ) перемещаются вдоль окна вправо (причем дальняя ветка передвинется вправо больше, чем ближняя).

Акт зрительного восприятия рассматривается теперь как сложная цепь различных процессов и превращений, еще до сих пор недостаточно изученных и понятых. За сложным фотохимическим процессом в сетчатой оболочке глаза следуют нервные возбуждения волокон зрительного нерва, которые затем передаются коре головного мозга.

Наконец, в пределах коры головного мозга происходит оформление зрительных восприятий; здесь они, возможно, взаимосвязываются с другими нашими ощущениями и контролируются на основании заранее приобретенного нами опыта, и только после этого начальное раздражение превращается в законченный зрительный образ.

Оказывается, мы видим в данный момент только то, что нас интересует, и это очень полезно для нас. Все поле зрения всегда заполнено разнообразными впечатляющими объектами, но наше сознание из всего этого выделяет лишь то, на что мы в данный момент обращаем особое внимание.

Однако все неожиданно появляющееся в поле нашего зрения способно невольно привлечь наше внимание.

Например, при интенсивной умственной работе нам может сильно помешать качающаяся лампа: глаза поневоле фиксируют это движение, а это в свою очередь рассеивает внимание.

Наше зрение обладает наибольшей пропускной способностью и может передать в мозг в 30 раз больше информации, чем наш слух, хотя зрительный сигнал достигает мозга через 0,15 сек, слуховой через 0,12 сек, а осязательный через 0,09 сек.

Следует заметить, что все важнейшие свойства глаза тесным образом между собой связаны; они не только зависят друг от друга, но и проявляются в различной степени, например при изменении яркости поля адаптации, т. е. яркости, к которой приспособлен человеческий глаз в данных конкретных условиях и в данный момент времени.

Указанные здесь способности органа зрения человека часто имеют у различных людей различную степень развитости и чувствительности. «Глаз — это чудо для пытливого ума», — говорил английский физик Д. Тиндаль.

 

2. Недостатки и дефекты зрения

Попытаемся разобраться более подробно в приведенных ранее отдельных указаниях на недостатки в устройстве глаза, на причины неточного восприятия некоторых зрительных образов.

Недостатки и дефекты зрения можно некоторым образом классифицировать.

Во-первых, существуют неправильности нормального глаза человека, присущие всем без исключения, — это аберрации оптической системы глаза (сферическая, астигматизм и хроматическая), наличие слепого пятна, иррадиация и энтоптические явления.

Во-вторых, существуют индивидуальные, иногда врожденные, иногда приобретенные с возрастом дефекты зрения — это близорукость и дальнозоркость, косоглазие, куриная и цветовая слепота.

В-третьих, можно назвать общие психологические закономерности зрительных ощущений, такие, как абсолютный порог, пороги различения, соотношение между раздражителем и силой ощущения, адаптация, одновременный контраст, последовательные образы и взаимосвязь зрительных ощущений с другими психологическими процессами. Каждая из этих закономерностей может оказывать влияние на точность и достоверность зрительного восприятия объективной реальности.

Наконец, в-четвертых, ограниченные также соответствующими пределами восприятия яркостного контраста, спектральной чувствительности, степени рельефности, а также инерция зрения могут либо мешать вскрытию сущности явления, либо применяться с пользой для процесса познания.

Таким образом, ограничения и особенности нормального глаза и индивидуальные дефекты зрения сильно ограничивают роль зрительных ощущений в познании окружающего мира. Если же еще учесть субъективность пороговых значений зрительных функций, большое многообразие свойств зрительных органов у различных людей, то станет ясно, насколько мало точных сведений об окружающем нас мире мы получаем, пользуясь только своими ощущениями.

Распространено мнение, что трудно встретить двух людей, обладающих совершенно одинаковыми свойствами зрительного аппарата. Вот, например, рассуждения на этот счет одного молодого человека.

«Мы с приятелем сидим летом среди благоухающей зелени на берегу лесной речки и наблюдаем чудесное многообразие явлений. Мой приятель блондин с голубовато-серыми глазами. Он с детства носит очки, исправляющие астигматизм. Я — брюнет, у меня темно-карие глаза. Я считаю, что вижу прекрасно, хотя мне говорят, что я иногда сильно закатываю левый глаз, так что зрачок оказывается у меня около переносицы. Я не знаю, видит ли мой приятель точно так же, как я. Как я могу знать, что он видит? Однако возможно и даже наверняка я увидел бы странную картину, если бы вдруг посмотрел на все окружающее глазами моего приятеля».

Справедливы ли эти рассуждения молодого человека?

Применительно к формальному различию свойств и дефектов оптических конструкций глаз молодого человека и его приятеля — эти рассуждения справедливы.

Однако зрительный процесс не просто фиксация оптических изображений предметов на сетчатой оболочке, а и одновременная работа мозговых центров, деятельность центральной нервной системы, использование накопленного опыта. Поэтому рассуждения молодого человека о зрительных восприятиях его и приятеля несправедливы.

С одной стороны, глаза каждого человека имеют свои дефекты, к которым их владелец уже приспособился и совершенно незаметно для себя устраняет их на каких-то этапах зрительного восприятия. С другой стороны, оба товарища, являясь членами одной социально-общественной среды, пользуются одинаковыми результатами эволюционного развития зрительного аппарата, одинаковым накопленным человечеством общественным опытом, общими современными для них взглядами на природу. Поэтому из разговора между ними можно выяснить, что они воспринимают своими различными глазами явления внешнего мира одинаково, за очень малыми исключениями. Этим и объясняется объективность зрительных ощущений, а также и их относительность, т. е. наличие в них доли ошибочности, недостоверности. Влиянию особенностей строения нормального глаза человека на ошибочное восприятие реальности будет посвящен следующий раздел. Здесь мы остановимся особо на индивидуальных, врожденных или приобретенных дефектах зрения, чтобы затем, при описании некоторых иллюзий, ссылаться на эти краткие сведения.

Если произвести проверку аккомодации нормального глаза, то окажется, что наиболее удаленная точка, которую глаз может различать в спокойном состоянии, находится теоретически на бесконечности, а практически на расстоянии, превышающем 15 м. Эта точка считается дальней. Точка, которую можно ясно видеть на самом близком расстоянии от глаз, называется ближней точкой.

Для нормального глаза эта точка находится на расстоянии 10–15 см. Расстояние, отделяющее дальнюю точку от ближней, называется расстоянием аккомодации.

Если отчетливое изображение точки на сетчатой оболочке глаза получается при ее удалении на расстояние не более 35 см — глаз страдает легкой близорукостью, от 35 до 10 см — средняя степень и если наибольшее расстояние отчетливого видения не превышает 10 см — сильная степень близорукости. Согласно рис. 4 степень близорукости определяется тем углом, который образуется между лучом aN, идущим из бесконечности, и лучом, идущим из дальней точки А, т. е. углом aNA или, что то же, NAM.

Рис. 4. Близорукий глаз. Изображение предмета получается перед сетчаткой.

Мера аккомодации определяется разностью углов NBM и NAM при дальней и ближней точке. Например, положим, что для какого-либо близорукого глаза дальняя точка отстоит от глаза на 180 мм, а ближняя на 100 мм.

В таком случае степень близорукости выражается углом 1/180 = 0,0056, т. е. 5,6 D (диоптрий). Мера аккомодации выражается разностью углов 1/100— 1/180 = 4/900 =0,0044, т. е. 4,4 D.

Близорукий глаз имеет главный фокус преломляющей системы перед сетчаткой. Если рассматриваемый предмет приближается к глазу, то приближается к сетчатке и его изображение. В случае близорукости или ось глаза слишком длинна, или кривизна хрусталика велика, или преломляющая способность других сред глаза велика.

Близорукость исправляется очками с вогнутыми стеклами.

Дальнозоркий глаз или является слишком коротким, или его хрусталик имеет малую кривизну. Изображения предметов в этом случае будут получаться за сетчаткой, и такой глаз в ненапряженном состоянии не может видеть отчетливо никаких предметов. В самом деле, по мере приближения предметов издали место схождения их лучей в глазу уходит еще дальше за сетчатку. Только прибегая к усилию аккомодации, этот глаз может видеть вообще, причем он видит отдаленные предметы лучше, чем близкие.

Дальнозоркость исправляется очками с выпуклыми (положительными) линзами, увеличивающими преломляющую способность глаза.

Наибольшая степень дальнозоркости встречается при афакии, т. е. при отсутствии хрусталика и неспособности глаза аккомодироваться. От дальнозорких глаз следует отличать старческие глаза, иногда почти лишенные способности аккомодации вследствие уменьшения упругости хрусталика с годами. При этом ближняя точка все более и более удаляется от глаза. К 45 годам эта точка уже за пределами того расстояния, на котором нормальный глаз хорошо различает предметы. Старческую дальнозоркость исправляют с помощью выпуклых линз, приближающих как ближнюю, так и дальнюю точки.

У людей, страдающих косоглазием, зрительная линия (взгляд) одного глаза направлена на предмет, привлекающий внимание, а линия другого глаза отклонена в сторону носа (сходящееся или внутреннее косоглазие) или виска (расходящееся или внешнее косоглазие) кверху или книзу. Степень косоглазия определяется углом, образуемым линией зрения косящего глаза и нормальным направлением.

Различают два вида косоглазия: содружественное и паралитическое. В первом случае двигательные мышцы глаз нормальны и движения их согласованы, однако положение глаз относительно друг друга все время остается неправильным. Возможно постоянное отклонение одного и того же глаза, а иногда попеременное; косит то один, то другой глаз. В тех случаях, когда один глаз видит лучше другого, фиксирующим всегда оказывается лучший глаз, а отклоняется второй, худший глаз. Но стоит только закрыть лучший глаз и фиксировать начинает хуже видящий глаз, а закрытый второй глаз становится отклоненным.

Этот вид косоглазия обусловлен расстройством двигательной части аппарата глубинного зрения, высокими степенями дальнозоркости или близорукости, плохим зрением одного из глаз. Согласованное зрение обоими глазами, дающее нам возможность получать пластические глубинные образы, оказывается утраченным. Содружественное косоглазие часто развивается в раннем детстве и может быть исправлено применением призматических очков. При сильном косоглазии одна из призм исправляет имеющееся отклонение зрительной оси косящего глаза, а другая частично отклоняет ось другого глаза, обеспечивая восстановление бинокулярного зрения. Паралитическое косоглазие появляется в результате паралича одной из нескольких двигательных мышц глаза вследствие заболевания центральной нервной системы. В этом случае движение пораженного глаза отстает, и его ось отклонена в сторону.

Иногда при этом происходит двоение видимых предметов.

При помощи очков этот вид косоглазия неустраним: здесь помогает оперативное вмешательство. Известны случаи половинной слепоты, т. е. выпадания половины (правой или левой) поля зрения также вследствие заболевания центральной нервной системы.

Ненормальности глаза в отношении основных закономерностей свето- и цветоощущений встречаются в виде дефектов, именуемых «куриной слепотой» и цветовой слепотой. «Куриная слепота» (гемералопия) — это расстройство светоощущения, проявляющееся в виде резкого понижения видимости при ослабленном освещении в сумерки или ночью. При наступлении темноты, когда вещи теряют для нас свои хроматические оттенки, нормально зрячий все же достаточно легко ориентируется посредством своего периферического зрения. Субъект, страдающий гемералопией, чувствует себя совершенно беспомощным, ничего не различает, натыкается на предметы и т. п. Темновая адаптация в этом случае или заметно ослаблена, или же вовсе отсутствует. Причинами этого дефекта зрения часто бывают плохое питание (недостаток жиров, витамина А) или продолжительная работа при чрезмерно ярком освещении.

Цветовая слепота может быть полной и частичной.

Лица, страдающие полной цветовой слепотой, не различают никаких цветовых тонов, многоцветный рисунок они не отличают от одноцветного. Для них изображенные на рис. 11 (см. цветную вклейку) мак и василек отличаются друг от друга контурами и яркостью изображения.

Все цветовые тона для нормально видящего глаза могут быть воспроизведены путем смешения в надлежащих пропорциях не менее трех цветов, принятых за основные (красный, зеленый и синий). Поэтому нормально зрячие называются трихроматами. Явление ненормального трихроматизма было открыто в 1880 г. Д. Рэлеем. Лица, страдающие этой аномалией зрения, могли воспроизводить все цвета посредством смешения тех же трех цветов, что и лица с нормальным зрением, но при этом они слишком много прибавляют зеленого цвета. Таким образом, смесь, которая им кажется белой, на самом деле является зеленой, смесь, которая нам кажется белой, они считают розовой.

Лица с полной цветовой слепотой являются монохроматами, поскольку все оттенки предметов они получают только за счет вариаций интенсивности одного и того же раздражителя. Полная цветовая слепота явление весьма редкое. Чаще встречаются частичные расстройства цветового зрения, например, когда субъект, воспринимая все доступные ему цвета, смешивает только два основных — зеленый и синий (краснослепые или дальтоники — это цветовая слепота первого рода — протонопия) или красный и синий (зеленослепые — цветовая слепота второго рода — дейтеронопия). Наконец, третий вид частичной цветовой слепоты (тритонопия) — это «слепота на фиолетовый цвет».

Протонопией страдал знаменитый английский химик Д.Дальтон, который впервые в 1794 г. и описал этот недостаток своего зрения. Дальтон обратил внимание на то, что цветок герани, который показался всем розовым, ему представлялся днем голубым, а вечером, при свечах, красным. Все уверяли его, что не видят никакой бросающейся в глаза разницы в цвете лепестков герани днем и вечером. Это наблюдение побудило Дальтона изучить особенность своего зрения, и он нашел, что красный, оранжевый, желтый и зеленый цвета казались ему почти одинаковыми: все их он называл желтыми. Зато он хорошо различал синий и фиолетовый цвета. Дальтон говорил, что кровь казалась ему бутылочного зеленого цвета, а трава почти красной. Трудно представить, как Дальтон, страдавший столь резко выраженной цветовой слепотой, не обнаружил ее раньше 26-летнего возраста. Возможно, это было следствием нашей способности не обращать внимания на то, что привычно.

Человек, страдающий цветовой слепотой, часто может думать, что он прав, а окружающие ошибаются. В жизни известны случаи приобретенного дальтонизма, однако в большинстве случаев этот дефект зрения является врожденным и передается по женской линии главным образом мужскому потомству. Около 4 % всех мужчин страдают дальтонизмом, тогда как среди женщин все виды цветовой слепоты встречаются гораздо реже — не чаще, чем у 0,5 % от всех женщин.

Для второй группы цветнослепых (дейтеронопов) характерной особенностью является неумение отличать светло-зеленый цвет от темно-красного и фиолетовый от голубого, между тем как пурпурный цвет с голубым они не смешивают, но смешивают с серым.

Третий вид частичной цветовой слепоты наблюдается значительно реже. Для тритонопов весь спектр содержит лишь оттенки красного и зеленого.

Для многих профессий цветовая слепота не является крупным недостатком. Но есть такие профессии, когда умение уверенно и строго различать цвета имеет существенное значение — например, цветнослепой, работающий машинистом, рулевым, шофером и т. п., всегда может вызвать катастрофу, приняв один сигнальный цвет за другой. Цветнослепой, не умеющий определять цвета растворов и красящих веществ, не может успешно работать на некоторых операциях в химической, полиграфической, текстильной и в других отраслях промышленности.

Профессии художника, ботаника, портного, медика и некоторые другие также требуют нормального цветового зрения.

В настоящее время для испытания на цветовую слепоту применяются таблицы, где среди пятен одного цвета помещены пятна другого, составляющие вместе для всякого нормально зрячего какую-нибудь цифру, букву или фигуру. Цветнослепые не могут отличить цвет этих пятен от цвета пятен, служащих фоном, а следовательно, они не могут «прочесть» и соответствующих цифр, букв или фигур.

На рис. 1, помещенном на цветной вклейке, приведена испытательная таблица проф. Е. Б. Рабкина, на которой краснослепой — дальтоник не видит круга, а зеленослепой не видит треугольника. Цветовое зрение в современных условиях будет доставлять человеку все большее и большее наслаждение не только от восприятия прекрасного в природе и в живописи, но и в новых формах искусства — цветной фотографии и кино. Цвету придают все большее значение в промышленности, так как оказывается, что от правильно подобранной окраски производственных помещений и оборудования в значительной мере зависит производительность труда. Недалеко то время, когда приобретет массовое распространение цветное телевидение, а затем и цветомузыка.

Дальнейшее изучение и все более эффективное закрепление полезных свойств зрительного аппарата человека позволяет нейтрализовать, а частично и вовсе устранить вредное влияние недостатков и дефектов нашего зрения.

 

3. Иллюзии, связанные с особенностями строения глаза

Оптическая система глаза не свободна от сферической и хроматической аберраций.

Сущность сферической аберрации состоит в том, что фокус для лучей, вступающих в глаз параллельно его оси и на малом расстоянии от нее, оказывается дальше от зрачка, чем фокус для лучей, более удаленных от оси.

Края зрачкового пространства преломляют свет сильнее, чем его средина. Частично по этой причине, как было указано ранее, мы видим малые источники света в виде лучистых звезд. В наличии сферической аберрации глаза легко убедиться, проделав такой опыт. Если печатный текст поместить перед глазом ближе расстояния наилучшего видения, когда уже нет возможности отчетливо видеть буквы, а затем взять листок бумаги с малым отверстием и поместить его перед самым глазом, то буквы снова сделаются отчетливо видимыми. Если держать черную нитку перед ярким пламенем, то она нам кажется разорванной — кружки рассеяния света на сетчатке охватывают нить с обеих сторон и делают ее невидимой. Стремясь лучше разглядеть предмет, мы «щуримся», сближая веки, и тем самым уменьшаем отверстие, через которое в глаз проходят лучи света. В результате края зрачка и хрусталика «выключаются» из работы, сферическая аберрация уменьшается, и мы видим предмет яснее, резче. При ярком освещении, когда сужается зрачок, сферическая аберрация уменьшается, и мы видим лучше.

Глаз не представляет собой системы ахроматической: фокус фиолетовых лучей расположен на 0,43 мм ближе к хрусталику, чем фокус лучей красных, если глаз аккомодирован на бесконечность. Поэтому предметы, особенно белые, освещенные белым светом, дают на сетчатке изображение, окруженное цветной каймой. Обычно мы не замечаем ее, так как она очень слаба. Однако ее легко обнаружить при помощи несложных опытов, например, рассматривая на очень близком расстоянии рис. 5.

Рис. 5. Если поднести этот рисунок очень близко к глазу, то возле черных кругов мы увидим цветные каемки. Это свидетельствует о том, что глаз не свободен от хроматической аберрации.

Тот же эффект мы будем наблюдать, если через малое отверстие в листке бумаги посмотрим на край крыши на фоне яркого неба. Подняв листок так, чтобы лучи попадали на периферию зрачка, заметим, что небо около крыши покажется красноватым. Выше сказанное легко объяснить, если вспомнить, что на сетчатке получается обратное изображение и что при падении лучей на край линзы синие лучи преломляются сильнее, чем красные. Хроматическая аберрация глаза создает трудности при рассматривании шкал или интерференционных полос, а также при наблюдении за небесными телами с помощью астрономических инструментов.

Известны случаи появления у людей близорукости только в сумерках, когда очертания видимых предметов становятся менее резкими. Если при этом четкая видимость предметов ограничивается расстоянием 2 м, то появившаяся близорукость соответствует 0,5 диоптрии. Днем глаз обладает максимальной чувствительностью в желто-зеленом участке спектра, а в сумерки максимум чувствительности смещается к сине-зеленому участку. Глаз, как и линза, преломляет сине-зеленые лучи сильнее, чем желтые.

Следовательно, ночная близорукость появляется у людей из-за хроматической аберрации глаза. Кроме того, при слабом освещении зрачок глаза расширяется и края хрусталика начинают играть большую роль в формировании изображения на сетчатке. Следовательно, ночная близорукость в какой-то мере обусловлена и сферической аберрацией глаза.

Астигматизм глаза. Астигматизмом глаза называется его дефект, обусловленный обычно несферической (торической) фюрмой роговой оболочки и иногда несферической формой поверхностей хрусталика.

Астигматизм человеческого глаза был впервые обнаружен в 1801 г. английским физиком Т. Юнгом. При наличии этого дефекта (кстати, не у всех людей проявляющегося в резкой форме) не происходит точечного Локирования лучей, параллельно падающих на глаз, бедствие различного преломления света роговицей в различных сечениях.

При сильном астигматизме человек видит четко, например, только вертикальные линии, а горизонтальные видит нерезко, или наоборот (рис. 6).

Рис. 6. Астигматический глаз видит фигуру А так, как она изображена справа.

Астигматизм резко выраженный исправляется очками с цилиндрическими стеклами, которые преломляют световые лучи только в направлении, перпендикулярном к оси цилиндра.

Глаза, совершенно свободные от этого недостатка, у людей встречаются редко, в чем легко можно убедиться, рассматривая приведенные здесь рис. 7, 8 и 9.

Рис. 7. Концентрические, близкие друг к другу окружности кажутся, прерванными, не одинаково удаленными друг от друга.

Рис. 8. Одинаковая (однотонная) штриховка квадрантов этого круга кажется не одинаково яркой.

Рис. 9. Те или иные буквы кажутся более темными в зависимости от положения рисунка относительно глаза.

Для испытания глаз на астигматизм врачи-окулисты часто применяют специальную таблицу (рис. 10), где двенадцать кружков имеют штриховку равной толщины через одинаковые интервалы.

Рис. 10. Фигура для определения степени и меры астигматизма глаза.

Глаз, обладающий астигматизмом, увидит линии одного или нескольких кружков более черными. Направление этих более черных линий позволяет сделать вывод о характере астигматизма глаза.

Если астигматизм обусловлен несферической формой поверхности хрусталика, то при переходе от ясного видения предметов горизонтальной протяженности к рассматриванию вертикальных предметов человек должен изменить аккомодацию глаз.

Чаще всего расстояние ясного видения вертикальных предметов меньше, чем горизонтальных. Это частично связано со зрительным дефектом «переоценки вертикальных линий», о чем будет сказано далее (см. п. 5).

Слепое пятно. Наличие слепого пятна на сетчатой оболочке глаза впервыеоткрыл в 1668 г. известный французский физик Э.Мариотт. Свой опыт, позволяющий убедиться в наличии слепого пятна, Мариотт описывает следующим образом:

«Я прикрепил на темном фоне, приблизительно на уровне глаз, маленький кружочек белой бумаги и в то же время просил другой кружочек удерживать сбоку от первого, вправо на расстоянии около двух футов, но несколько пониже так, чтобы изображение его упало на оптический нерв моего правого глаза, тогда как левый я зажмурю. Я стал против первого кружка и постепенно удалялся, не спуская с него правого глаза.

Когда я был в расстоянии 9 футов, [8] второй кружок, имевший величину около 4 дюймов, совсем исчез из поля зрения. Я не мог приписать это его боковому положению, ибо различал другие предметы, находящиеся еще более сбоку, чем он; я подумал бы, что его сняли, если бы не находил его вновь при малейшем передвижении глаз».

Известно, что Мариотт забавлял английского короля Карла II и его придворных тем, что учил их видеть друг друга без головы.

Сетчатая оболочка глаза в том месте, где в глаз входит зрительный нерв, не имеет светочувствительных окончаний нервных волокон (палочек и колбочек).

Следовательно, изображения предметов, приходящиеся на это место сетчатки, не передаются мозгу.

Можно убедиться в наличии слепого пятна, рассматривая любой из рис. 11, 12 и 13. На этих рисунках слепое пятно для правого глаза обнаруживается правее центрального луча, а для левого — левее. При этих условиях в первом случае пропадает правая часть рисунка, а во втором левая. Поэтому для правого глаза надо установить рисунок так, чтобы прямо против глаза находилась левая часть рисунка (например, центральный кружок рис. 11 и 12 или крест рис. 13), а для левого — правая часть рисунка. Затем, если необходимо, удалять или приближать рисунок, или сдвигать его понемногу в сторону, пока не будет достигнут четкий эффект.

Рис. 11

Рис. 12

Рис. 13. Закрыть левый глаз и посмотреть правым на фигуру, изображенную слева, держа рисунок на расстоянии 15–20 см от глаза. При некотором положении рисунка относительно глаза изображение правой фигуры перестанет быть видимым.

Рис. 11 и 13 позволяют обнаружить слепое пятно и правого, и левого глаза.

Академик С. И. Вавилов по поводу устройства глаза писал:

«Насколько проста оптическая часть глаза, настолько сложен его воспринимающий механизм. Мы не только не знаем физиологического смысла отдельных элементов сетчатки, но не в состоянии сказать, насколько целесообразно пространственное распределение светочувствительных клеток, к чему нужно слепое пятно и т. д.

Перед нами не искусственный физический прибор, а живой орган, в котором достоинства перемешаны с недостатками, но все неразрывно связано в живое целое».

Слепое пятно, казалось бы, должно мешать нам видеть весь предмет, но в обычных условиях мы этого не замечаем.

Во-первых, потому, что изображения предметов, приходящиеся на слепое пятно в одном глазу, в другом проектируются не на слепое пятно; во-вторых, потому, что выпадающие части предметов невольно заполняются образами соседних частей, находящихся в поле зрения.

Если, например, при рассматривании черных горизонтальных линий некоторые участки изображения этих линий на сетчатке одного глаза придутся на слепое пятно, то мы не увидим разрыва этих линий, так как другой наш глаз восполнит недостатки первого. Участки «прямых линий», проходящие через слепое пятно любого глаза, будут нашим сознанием продолжены по кратчайшему пути даже в том случае, когда в действительности в этом месте линии имеют разрыв или изгиб. Так, например, если слепое пятно придется против «середины креста», мы «увидим» крест даже в том случае, когда в действительности четыре его ветви не соединяются посередине. А вот еще один интересный опыт. Если держать перед собою лист белой бумаги с красным пятном так, чтобы это красное пятно не было видно, например правым глазом, мы все же увидим пятно левым глазом, т. е. увидим лист бумаги с красным пятном, что и соответствует действительности. Если же взять совершенно белую бумагу, а перед левым глазом держать красное стекло, то вся бумага покажется красновато-белого цвета, причем место, соответствующее слепому пятну правого глаза, ничем не отличается от остального фона. Даже при наблюдении одним глазом наш рассудок возмещает недостаток сетчатки и исчезновение некоторых деталей предметов из поля зрения не доходит до нашего сознания. Слепое пятно достаточно велико (на расстоянии двух метров от наблюдателя из поля зрения может исчезнуть даже лицо человека), однако при обычных условиях видения подвижность наших глаз устраняет этот «недостаток» сетчатой оболочки.

Иррадиация. Явление иррадиации заключается в том, что светлые предметы на темном фоне кажутся увеличенными против своих настоящих размеров и как бы захватывают часть темного фона. Это явление известно с очень давних времен. Еще Витрувий (I в. до н. э.), архитектор и инженер Древнего Рима, в своих трудах указывал, что при сочетании темного и светлого «свет пожирает мрак». На нашей сетчатке свет отчасти захватывает место, занятое тенью.

Первоначальное объяснение явления иррадиации было дано Р. Декартом, который утверждал, что увеличение размеров светлых предметов происходит вследствие распространения физиологического возбуждения на места, соседние с прямо раздраженным местом сетчатки.

Однако это объяснение в настоящее время заменяется новым, более строгим, сформулированным Гельмгольцем, согласно которому первопричиной иррадиации являются следующие обстоятельства.

Каждая светящаяся точка изображается на сетчатой оболочке глаза в виде маленького кружка рассеяния из-за несовершенства хрусталика, неточной аккомодации и пр.

Когда мы рассматриваем светлую поверхность на темном фоне, вследствие аберрационного рассеяния как бы раздвигаются границы этой поверхности, и поверхность кажется нам больше своих истинных геометрических размеров; она как бы простирается через края окружающего ее темного фона. Эффект иррадиации сказывается тем резче, чем хуже глаз аккомодирован.

В силу наличия кругов светорассеяния на сетчатке иллюзорному преувеличению могут при известных условиях (например, очень тонкие черные нити) подвергаться и темные предметы на светлом фоне — это так называемая негативная иррадиация.

Примеров, когда мы можем наблюдать явление иррадиации, существует очень много, здесь нет возможности привести их полностью.

Наличие иррадиации наглядно подтверждают рис. 14–19.

Рис. 14. Белый квадрат на черном фоне справа кажется больше черного квадрата на светлом фоне слева.

Рис. 15. Белые фигуры на черном фоне кажутся больше черных фигур на белом.

Рис. 16. Черная полоска на белом фоне (слева) кажется уже белой полоски на черном фоне.

Рис. 17. Квадрат перечеркнут двумя широкими черными полосками, которые кажутся ущемленными в местах касания со сторонами квадрата (как показано слева).

Рис. 18. Перекрестия черных полосок кажутся не черными, а серыми. Этот эффект только отчасти можно объяснить иррадиацией.

Рис. 19. Перекрещивающиеся под острыми углами провода кажутся разорванными, как показано внизу рисунка. Если ветер раскачивает провода, то белый просвет колеблется в такт с этими качаниями.

Великий итальянский художник, ученый и инженер Леонардо да Винчи в своих записках говорит о явлении иррадиации следующее:

«Когда Солнце видимо за безлиственными деревьями, все их ветви, находящиеся против солнечного тела, настолько уменьшаются, что становятся невидимыми, то же самое произойдет и с древком, помещенным между глазом и солнечным телом. Я видел женщину, одетую в черное, с белой повязкой на голове, причем последняя казалась вдвое большей, чем ширина плеч женщины, которые были одеты в черное. Если с большого расстояния рассматривать зубцы крепостей, отделенные друг от друга промежутками, равными ширине этих зубцов, то промежутки кажутся много большими, чем зубцы…».

На целый ряд случаев наблюдений явления иррадиации в природе указывает в своем трактате «Учение о цветах» великий немецкий поэт Гёте. Он пишет об этом явлении так:

«Темный предмет кажется меньше светлого той же величины. Если рассматривать одновременно белый круг на черном фоне и черный круг того же диаметра на белом фоне, то последний нам кажется примерно на 1/5 меньше первого.

Если черный круг сделать соответственно больше, они покажутся равными. Молодой серп луны кажется принадлежащим кругу большего диаметра, чем остальная темная часть луны, которая иногда бывает при этом различима».

Явление иррадиации при астрономических наблюдениях мешает наблюдать тонкие черные линии на объектах наблюдения; в подобных случаях приходится диафрагмировать объектив телескопа. Физики из-за явления иррадиации не видят тонких периферических колец дифракционной картины.

В темном платье люди кажутся тоньше, чем в светлом.

Источники света, видные из-за края, производят в нем кажущийся вырез. Линейка, из-за которой появляется пламя свечи, представляется с зарубкой в этом месте.

Восходящее и заходящее солнце делает словно выемку в горизонте.

Еще несколько примеров. Черная нить, если ее держать перед ярким пламенем, кажется в этом месте прерванной; раскаленная нить лампы накаливания кажется толще, чем она есть в действительности; светлая проволока на темном фоне кажется более толстой, чем на светлом.

Переплеты в оконных рамах кажутся меньше, чем они есть в действительности. Статуя, отлитая из бронзы, выглядит меньше, чем изготовленная из гипса или белого мрамора.

Архитекторы Древней Греции угловые колонны своих построек де, лали толще прочих, учитывая, что эти колонны со многих точек зрения будут видны на фоне яркого неба и, вследствие явления иррадиации, будут казаться тоньше.

Своеобразной иллюзии подвергаемся мы по отношению к видимой величине Солнца. Художники, как правило, рисуют Солнце чересчур большим по сравнению с другими изображаемыми предметами. С другой стороны, на фотографических ландшафтных снимках, на которых изображено и Солнце, оно представляется нам неестественно малым, хотя объектив дает правильное его изображение.

Заметим, что явление негативной иррадиации можно наблюдать в таких случаях, когда черная нить или слегка блестящая металлическая проволока на белом фоне кажутся толще, чем на черном или сером. Если, например, кружевница хочет показать свое искусство, то ей лучше изготовить кружево из черных ниток и расстилать его на белую подкладку. Если мы наблюдаем провода на фоне параллельных темных линий, например, на фоне черепичной крыши или кирпичной кладки, то провода кажутся утолщенными и сломанными там, где они пересекают каждую из темных линий.

Эти эффекты наблюдаются и тогда, когда провода накладываются в поле зрения на четкий контур строения.

Вероятно, явление иррадиации связано не только с аберрационными свойствами хрусталика, но также и с рассеянием и преломлением света в средах глаза (слой жидкости между веком и роговой оболочкой, среды, заполняющие переднюю камеру и всю внутренность глаза). Поэтому иррадиационные свойства глаза, очевидно, связаны с его разрешающей силой и лучистым восприятием «точечных» источников света (рис. 20).

Рис. 20. Черные линии резко различимы только по некоторым радиальным направлениям; по другим они сливаются в серый фон.

Для восприятия всей фигуры глаз должен совершать круговые движения.

С аберрационными свойствами, а значит, частично и с явлением иррадиации связана способность глаза переоценивать острые углы, о чем будет сказано далее (см. п. 6).

 

4. «Целое» и «часть»

Очень многие ошибочные зрительные впечатления обусловлены тем, что мы воспринимаем видимые нами фигуры и их части не отдельно, а всегда в некотором соотношении с окружающими их другими фигурами, некоторым фоном или обстановкой. К этому разделу относится, пожалуй, самое большое количество зрительных иллюзий, встречающихся на практике. Все эти иллюзии можно разделить на пять групп.

Во-первых, сравнивая две фигуры, из которых одна действительно меньше другой, мы ошибочно воспринимаем все части меньшей фигуры меньшими, а все части большей — большими («целое больше — больше и его части»).

При этих условиях ошибка появляется не вследствие дефектов глаза как оптического прибора, а скорее вследствие психофизиологического этапа зрительного восприятия (рис. 21–28). Свойства фигуры мы ошибочно переносим на ее части. А. Л. Ярбус указывает общую причину появления иллюзий (рис. 21–27), заключающуюся как бы в «тенденции» определять расстояния не между краями предметов, а между самими предметами.

Рис. 21. Правые фигуры больше левых (фигуры в целом), однако части этих фигур могут быть равны частям левых фигур, хотя они и кажутся значительно крупнее.

Рис. 22. Части вертикальных осевых линий между крайними нижними и средними точками кажутся больше, чем части осевых линий между средними и крайними верхними точками.

Рис. 23. АВ = ВС . Осевые линии нижних фигур равны по длине.

Рис. 24. аb кажется меньше еf , a ef кажется меньше cd ; на самом деле все три отрезка равны между собой.

Рис. 25

Рис. 26

Рис. 27. На рисунках 25, 26 и 27 расстояние аЬ кажется больше cd ; в действительности ab = cd .

Доказательством этому и служат иллюзии, наблюдаемые на рис. 28, где увеличенными или уменьшенными воспринимаются те расстояния, которые должны были бы определяться по отношению к краям черных кружков, а наше зрение относит их к центрам кружков.

Рис. 28. Расстояния между двумя вертикальными прямыми и между вертикальной прямой и одним кругом в левой части рисунка кажутся не равными расстояниям между двумя кругами в правой части рисунка. На самом деле эти расстояния равны между собой (рисунок А. Л. Ярбус).

Во-вторых, встречаются случаи иллюзий того же рода с той только разницей, что суждение о зрительном образе идет в обратном направлении: не от «целого» к «части», а от «части» к «целому». Примеры таких иллюзий приведены на рис. 29–32.

Рис. 29. Угол, стянутый дугой, справа кажется больше стянутого дугой угла слева. В действительности они равны.

Рис. 30. Верхняя фигура по периметру и площади кажется не равной нижней; на самом деле при наложении фигуры совместятся.

Рис. 31. Менее отчетливо наблюдаемое неравенство двух равных фигур.

Рис. 32. Диаметр круга кажется больше отрезков АС и BD ; на самом деле он равен им.

Аналогичная ошибка зрения имеет место и тогда, когда мы рассматриваем отдельно монету достоинством в две копейки и номер на государственном казначейском билете СССР достоинством в 1 рубль. Нам кажется, что монета не закроет этого номера, хотя она точно закрывает его от первой до последней цифры.

В-третьих, при восприятии фигур в целом и отдельных их частей (линии, углы, отдельные детали) зрительные иллюзии могут иметь место вследствие общепсихологического закона контраста, т. е. обстановки, окружения этих частей и их взаимосвязи с другими частями фигуры.

Примеры можно найти на рис. 33–34. Здесь речь не идет о контрасте яркости или о цветовом контрасте, который практически здесь ничтожно мал или вовсе отсутствует.

Рис. 33. Внутренний острый угол правой фигуры кажется меньше внутреннего острого угла левой. В действительности они равны.

Рис. 34. Внутренний круг слева кажется больше правого внутреннего круга.

В-четвертых, известны иллюзии, причина которых кроется в уподоблении (ассимиляции) одной части фигуры другой. Несколько таких иллюзий приведено на рис. 45–48.

Рис. 35. Тот же эффект, что на рис. 34.

Рис. 36. Круг, примыкающий ближе к сторонам острого угла слева, кажется больше, чем круг справа.

Рис. 37. Палуба правого парусника кажется короче палубы левого парохода.

Рис. 38. Расстояние между точками, лежащими ближе к вершине острого угла, кажется больше, чем расстояние между точками, более удаленными от вершины.

Иллюзия совсем исчезает, если посмотреть на рисунок со стороны вершины угла так, чтобы взгляд скользил по плоскости рисунка.

Рис. 39. Правая дуга кажется более короткой и имеющей большую кривизну, чем левая.

Рис. 40. Высоты треугольников разделены пополам, однако кажется, что части, прилегающие к вершине, короче.

Рис. 41. Верхний внутренний овал кажется меньше нижнего, а в действительности они равны.

Рис. 42. Стороны треугольника кажутся меньше сторон квадрата, а стороны квадрата меньше сторон пятигранника. Все эти отрезки, однако, равны. Иллюзия создается исключительно благодаря возрастанию периметров и площадей этих фигур.

Рис. 43. Основание фигуры а кажется меньше основания фигуры б , диаметр окружности а'а' кажется меньше расстояния б'б' , хотя все эти линии равны между собой.

Рис. 44. Каждая левая фигура кажется больше каждой правой, хотя все фигуры одинаковы. Иллюзия исчезнет, если на этот рисунок посмотреть с правой стороны так, чтобы взгляд скользил по плоскости чертежа.

Рис. 45. Прямая касательная ко всем кружкам разных радиусов кажется кривой, так как мы невольно уподобляем ее верхней криволинейной границе. (Иллюзия С. Томпсона.)

Рис. 46. Одиночная спираль, изображенная в левой части, не создает впечатления смещения спирали к точке схода с другими подобными спиралями. Та же спираль, изображенная справа, создает такое впечатление.

Если, например, рис. 47 и 48 освещать на мгновение искровой вспышкой, то иллюзия (по крайней мере при определенной продолжительности вспышки) пропадет.

Глаз за время вспышки не успеет заметно передвинуться, следя за спиралями фона и уподобляя этим спиралям светлые окружности. При этом обстановка или фон как бы отпадает.

Рис. 47. Расположение отрезков концентрических окружностей с утолщениями на концах по принципу склонения их к спирали создает впечатление, что на рисунке изображены белые спирали на черном фоне.

Рис. 48. Вследствие спиральной штриховки серого фона белые, прерванные местами линии кажутся спиралями; на самом деле они представляют собой концентрические окружности, в чем легко убедиться с помощью циркуля или карандаша.

Глаз обладает вполне отчетливым зрением лишь в области центрального углубления желтого пятна, т. е. на очень небольшом участке сетчатки. Фиксируя, например, какое-нибудь слово на печатной странице, мы с трудом можем прочесть соседнее слово, а дальше совсем ничего не разбираем (если наши глаза неподвижны). Поэтому зрение — это, в сущности, обозревание. Наш взгляд постоянно перемещается. Это порождает порой иллюзии, подобные приведенным на рис. 49 и 50.

Рис. 49. Стороны квадрата, изображенные прерывистыми линиями на фоне из чередующихся белых, серых и черных кружков, кажутся сильно смещенными и не принадлежащими квадрату.