Современная физическая оптика рассматривает свет как разновидность электромагнитных волн, воспринимаемых глазом человека. Другими словами можно сказать, что свет - это видимое электромагнитное излучение.

Видимый свет

Как известно, электромагнитные волны различаются частотой и длиной волны. И в зависимости от этих значений электромагнитное излучение делят по частотным диапазонам.

Вне физической оптики к понятию «свет» относят также электромагнитные волны, не видимые глазом человека, в инфракрасном диапазоне с длиной волны 1 мм - 780 нм и частотой 300 ГГц - 429 ТГц и в ультрафиолетовом диапазоне с длиной волны 380 - 10 нм и частотой 7,5·10 14 Гц - 3·10 16 Гц.

Инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучения называют оптической областью спектра . Верхняя граница оптического диапазона является длинноволновой границей инфракрасного излучения, а нижняя - коротковолновой границей ультрафиолетового излучения. Таким образом, диапазон оптического излучения - от 1 мм до 10 нм.

Как же возникает свет? Оказывается, он образуется в результате процессов, происходящих внутри атомов при изменении их состояния. При этом возникает поток частиц, называемых фотонами. Они не имеют массы, но обладают энергией.

Получается, что свет одновременно обладает свойствами электромагнитной волны и свойствами дискретных частиц - фотонов.

Источники света

Любое тело, излучающее электромагнитные волны с частотой, расположенной в диапазоне видимого света, можно назвать источником света. Все источники света делятся на естественные, созданные самой природой, и искусственные, созданные людьми.

Самый важный естественный источник света на Земле - это, конечно же, Солнце. Оно даёт нам не только свет, но и тепло. Благодаря энергии солнечного света на нашей планете существует жизнь. Свет излучают Луна, звёзды, кометы и другие космические тела. Источниками естественного света могут быть не только тела, но и природные явления. Во время грозы мы видим, каким мощным светом озаряет всё вокруг вспышка молнии. Полярные сияния, светящиеся живые организмы, минералы и др. - это тоже природные источники света.

Самым первым и самым древним искусственным источником света можно назвать огонь костра. Позднее люди научились использовать другие виды топлива и создавать переносные источники света: свечи, факелы, масляные лампы, газовые фонари и др. Все эти источники были основаны на горении и вместе со светом выделяли большое количество тепла.

С изобретением электричества появились электрические лампочки, до сих пор использующиеся людьми в качестве источников света.

Геометрическая оптика

Распространение света в прозрачной среде, его отражение от зеркально-отражающихся поверхностей, преломление на границе двух прозрачных сред происходит по определённым законам, изучением которых занимается геометрическая оптика.

Для изучения различных световых явлений в геометрической оптике применяются такие понятия, как точечный источник света и световой луч.

Основное понятие геометрической оптики - световой луч .

Обычная лампа распространяет свет равномерно во все стороны. Закроем эту лампу непрозрачным материалом таким образом, чтобы свет, излучаемый ею, мог проходить лишь в небольшое узкое отверстие. Через него пойдёт узкий световой поток, направленный вдоль прямой линии. Эта линия, вдоль которой распространяется световой пучок, называется световым лучом. Направление этого луча не зависит от его поперечных размеров.

Свечи, фонари, лампы и другие источники света имеют довольно большие размеры по сравнению с расстоянием, на которое распространяется их свет. Их называют протяжёнными источниками света . Точечным источником света считается такой источник, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием, до которого доходит этот свет. Например, космическая звезда, имеющая на самом деле огромные размеры, может считаться точечным источником света, так как расстояние, на которое этот свет распространяется, огромно по сравнению с размерами самой звезды.

Рассмотрим основные законы геометрической оптики.

Закон прямолинейного распространения света

В прозрачной однородной среде свет распространяется прямолинейно. Доказательством этого закона служит опыт, в котором свет от точечного источника проходит через небольшое отверстие в экране. В результате образуется узкий световой пучок, а в плоскости, расположенной за экраном параллельно ему, появляется правильный световой круг с центром на прямой, вдоль которой свет распространяется.

Разместим между источником света и экраном небольшой предмет. На экране мы увидим тень этого предмета. Тень - это область, куда не попадает световой луч. Её появление объясняется прямолинейным распространением света. Если источник света точечный, то образуется только тень. Если же его размеры довольно велики по сравнению с расстоянием до предмета, то создаются тень и полутень. Ведь в этом случае световые лучи исходят от каждой точки источника. Некоторые из них, попадая в область тени, подсвечивают её края, и тем самым создают полутень - область, в которую световые лучи попадают частично.

Закон прямолинейного распространения объясняет природу солнечного и лунного затмений. Солнечное затмение происходит, когда Луна располагается между Солнцем и Землёй, и тень от Луны падает на Землю.

Закон прямолинейного распространения света использовали ещё древние греки при установке колонн. Если колонны расположить строго по прямой линии, то самая ближайшая из них зрительно закроет собой все остальные.

Закон отражения света

Если на пути светового луча встречается отражающая поверхность, то световой луч меняет своё направление. Падающий и отражённый лучи и нормаль (перпендикуляр) к отражающей поверхности, восстановленная в точке падения, лежат в одной плоскости. Угол между лучами делится этой нормалью на две равные части. Наиболее распространённая формулировка закона отражения: «Угол падения равен углу отражения ». Но это определение не указывает направление отражённого луча. Между тем отражённый луч пойдёт в направлении, обратном падающему лучу.

Если размеры неровностей поверхности меньше длины световой волны, то лучи, падающие параллельным потоком, отразятся зеркально и также пойдут параллельными потоками.

Если же размеры неровностей превышают длину волны, то узкий пучок будет рассеиваться, и отражённые лучи пойдут по разным направлениям. Такое отражение называют диффузным , или рассеянным . Но, несмотря на беспорядочное рассеивание, закон отражения выполняется и в этом случае. Для любого луча угол падения и угол отражения будут равны.

Закон преломления света

Опустим карандаш в чашку с водой. Зрительно нам кажется, что он словно переломился надвое на поверхности воды. На самом деле с карандашом ничего не произошло. Причина в том, что луч света падает на поверхность воды под одним углом, а уходит вглубь под другим. Из-за этого искажаются размеры и расположение физических тел.

Изменение направления светового луча на границе раздела двух прозрачных для световых волн сред называют преломлением света.

Закон, описывающий преломление световых волн, называется законом Снеллиуса (Снелля или Снелля) по имени его автора - голландского математика Виллеброрда Снеллиуса, открывшего его в 1621 г.

Согласно этому закону угол падения света на поверхность раздела и угол преломления связаны отношением:

n 1 sinƟ 1 = n 2 sinƟ 2 ,

или sin Ɵ 1 / sin Ɵ 2 = n 2 / n 1 ,

где n 1 - показатель преломления среды, из которой свет падает на границу раздела;

Ɵ 1 - угол между падающим на поверхность раздела световым лучом и нормалью к этой поверхностью;

n 2 - показатель преломления среды, в которую попадает свет после границы раздела;

Ɵ 2 - угол между прошедшим поверхность раздела лучом и нормалью к этой поверхности.

Показатель преломления среды - это отношение скорости света в вакууме к его скорости в данной среде:

n = c/v

Чем больше он отличается от единицы, тем бóльшим будет угол отклонения светового луча при переходе из вакуума в среду.

Отношение n 2 / n 1 называют относительным показателем преломления .

Луч света, входящий в более плотную среду, образует с нормалью к этой поверхности меньший угол, то есть преломляется вниз. Но в реальности кажется, что этот угол, наоборот, бóльший, чем угол падения. В результате этого мы наблюдаем искажение размеров, формы и расположения предметов. Предметы, находящиеся в воде, кажутся нам бóльшими, чем они есть на самом деле, и расположенными выше. Так, купальщики часто ошибаются, оценивая глубину водоёма. Они видят дно приподнятым, а глубина кажется им меньшей.

Из-за преломления солнечного света в атмосфере мы наблюдает восход Солнца немного раньше, а закат немного позже, чем эти явления происходили бы, если бы атмосферы не было.

На основе явления преломления построены объективы фото- и кинокамер, микроскопов, телескопов, биноклей и других оптических приборов, в составе которых есть оптические линзы или призмы.

При переходе света из более плотной среды в менее плотную (например, из воды в воздух) можно наблюдать полное внутреннее отражение светового луча . Оно возникает, когда угол падения равен некоторому значению, называемому предельным углом полного внутреннего отражения . При этом падающие лучи полностью отражаются от поверхности раздела. Преломлённые лучи исчезают совсем.

Это явление используют в волоконных светодиодах, которые изготавливают из оптически прозрачного материала. Они представляют собой очень тонкие нити. Свет, попадающий в них, полностью отражается от внутренних боковых поверхностей и распространяется на большие расстояния.

Геометрическая оптика рассматривает свойства света без учёта его волновой теории и квантовых явлений. Конечно, точно описывать оптические явления она не может. Но так как её законы намного проще по сравнению с обобщающими волновыми законами, то её широко используют при расчёте оптических систем.

Видимое излучение - электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом, которые занимают участок спектра с длиной волны приблизительно от 380 (фиолетовый) до 740 нм (красный). Такие волны занимают частотный диапазон от 400 до 790 терагерц. Электромагнитное излучение с такими длинами волн также называется видимым светом , или просто светом (в узком смысле этого слова). Наибольшую чувствительность к свету человеческий глаз имеет в области 555 нм (540 ТГц), в зелёной части спектра.

Видимое излучение также попадает в «оптическое окно», область спектра электромагнитного излучения, практически не поглощаемая земной атмосферой. Чистый воздух рассеивает голубой свет несколько сильнее, чем свет с большими длинами волн (в красную сторону спектра), поэтому полуденное небо выглядит голубым.

Многие виды животных способны видеть излучение, не видимое человеческому глазу, то есть не входящему в видимый диапазон. Например, пчёлы и многие другие насекомые видят свет в ультрафиолетовом диапазоне, что помогает им находить нектар на цветах. Растения, опыляемые насекомыми, оказываются в более выгодном положении с точки зрения продолжения рода, если они ярки именно в ультрафиолетовом спектре. Птицы также способны видеть ультрафиолетовое излучение (300-400 нм), а некоторые виды имеют даже метки на оперении для привлечения партнёра, видимые только в ультрафиолете.

Спектр видимого излучения

При разложении луча белого цвета в призме образуется спектр, в котором излучения разных длин волн преломляются под разным углом. Цвета, входящие в спектр, то есть такие цвета, которые могут быть получены световыми волнами одной длины (или очень узким диапазоном), называются спектральными цветами. Основные спектральные цвета (имеющие собственное название), а также характеристики излучения этих цветов, представлены в таблице:

Видимое излучение - электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом, которые занимают участок спектра с длинами волн приблизительно от 380 (фиолетовый) до 780 нм (красный). Такие волны занимают частотный диапазон от 400 до 790 терагерц. Электромагнитное излучение с такими длинами волн также называется видимым светом, или просто светом (в узком смысле этого слова). Наибольшую чувствительность к свету человеческий глаз имеет в области 555 нм (540 ТГц), в зелёной части спектра.

Видимое излучение также попадает в «оптическое окно», область спектра электромагнитного излучения, практически не поглощаемая земной атмосферой. Чистый воздух рассеивает голубой свет несколько сильнее, чем свет с большими длинами волн (в красную сторону спектра), поэтому полуденное небо выглядит голубым.

Многие виды животных способны видеть излучение, не видимое человеческому глазу, то есть не входящему в видимый диапазон. Например, пчёлы и многие другие насекомые видят свет в ультрафиолетовом диапазоне, что помогает им находить нектар на цветах. Растения, опыляемые насекомыми, оказываются в более выгодном положении с точки зрения продолжения рода, если они ярки именно в ультрафиолетовом спектре. Птицы также способны видеть ультрафиолетовое излучение (300-400 нм), а некоторые виды имеют даже метки на оперении для привлечения партнёра, видимые только в ультрафиолете.

Первые объяснения спектра видимого излучения дали Исаак Ньютон в книге «Оптика» и Иоганн Гёте в работе «Теория Цветов», однако ещё до них Роджер Бэкон наблюдал оптический спектр в стакане с водой. Лишь спустя четыре века после этого Ньютон открыл дисперсию света в призмах.

Ньютон первый использовал слово спектр (лат. spectrum - видение, появление) в печати в 1671 году, описывая свои оптические опыты. Он сделал наблюдение, что когда луч света падает на поверхность стеклянной призмы под углом к поверхности, часть света отражается, а часть проходит через стекло, образуя разноцветные полосы. Учёный предположил, что свет состоит из потока частиц (корпускул) разных цветов, и что частицы разного цвета движутся с различной скоростью в прозрачной среде. По его предположению, красный свет двигался быстрее чем фиолетовый, поэтому и красный луч отклонялся на призме не так сильно, как фиолетовый. Из-за этого и возникал видимый спектр цветов.

Ньютон разделил свет на семь цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, индиго и фиолетовый. Число семь он выбрал из убеждения (происходящего от древнегреческих софистов), что существует связь между цветами, музыкальными нотами, объектами Солнечной системы и днями недели. Человеческий глаз относительно слабо восприимчив к частотам цвета индиго, поэтому некоторые люди не могут отличить его от голубого или фиолетого цвета. Поэтому после Ньютона часто предлагалось считать индиго не самостоятельным цветом, а лишь оттенком фиолетового или голубого (однако он до сих пор включён в спектр в западной традиции). В русской традиции индиго соответствует синему цвету.

Гёте, в отличие от Ньютона, считал, что спектр возникает при наложении разных составных частей света. Наблюдая за широкими лучами света, он обнаружил, что при проходе через призму, на краях луча проявляются красно-желтые и голубые края, между которыми свет остаётся белым, а спектр появляется, если приблизить эти края достаточно близко друг к другу.

В XIX веке, после открытия ультрафиолетового и инфракрасного излучений, понимание видимого спектра стало более точным.

В начале XIX века Томас Юнг и Герман фон Гельмгольц также исследовали взаимосвязь между спектром видимого излучения и цветным зрением. Их теория цветного зрения верно предполагала, что для определения цвета глаз использует три различных вида рецепторов.

Характеристики границ видимого излучения

При разложении луча белого цвета в призме образуется спектр, в котором излучения разных длин волн преломляются под разным углом. Цвета, входящие в спектр, то есть такие цвета, которые могут быть получены световыми волнами одной длины (или очень узким диапазоном), называются спектральными цветами. Основные спектральные цвета (имеющие собственное название), а также характеристики излучения этих цветов, представлены в таблице:

Видимое излучение – спектр электромагнитных колебаний длинной волны от 400 до 750 нм, состоящий из семи цветов (оранжевый, красный, желтый, голубой, синий, фиолетовый, зеленый). Данный вид облучения способен вызывать в организме физико-химические реакции, близкие по энергетическим параметрам к , и применяется вместе с ним. Использование видимого излучения с лечебно-профилактической целью получило название хромотерапии.

Действие на организм

Кванты видимого излучения обладают высокой частотой и большой энергией. Это дает им возможность переводить атомы в возбужденное состояние и повышать их способность к биохимическим взаимодействиям. Биологическое действие излучения зависит от глубины его проникновения в ткани. Оно проникает в кожу на глубину до одного сантиметра и поглощается поверхностью кожи. При этом выделяется тепло, которое изменяет местные обменные процессы и вызывает сегментарные реакции. Вследствие этого улучшается микроциркуляция, питание тканей, активируется иммуногенез и выброс в кровь биологически активных веществ. Важное влияние на человека метод оказывает через сетчатку глаза, так как воспринимается через орган зрения, оказывая рефлекторное и опосредованное воздействие на центральную нервную систему, и как следствие, на психические процессы в организме.

Лечение цветом

Цветовое действие на человека многогранно. Считается, что оранжевый, желтый и красный – это активные цвета, а голубой и фиолетовый – пассивные. Установлено, что активные цвета являются утомляющими, а зеленый и голубой – бодрящими. При этом оранжевый и красный оказывают возбуждающее влияние на организм, синий – тормозное, а зеленый и желтый уравновешивают эти процессы. Существует мнение, что оранжевый цвет стимулирует работу почек, желтый цвет нормализует артериальное давление и работу органов пищеварения. Зеленый цвет нормализует работу сердца, а фиолетовый и голубой – функционирование головного мозга. Излучение синего спектра способствует расщеплению гематопорфиринов и применяется для лечения желтухи новорожденных. Значительное влияние на организм человека оказывает белый цвет. Именно при его недостатке в зимнее время из-за сокращения светового дня могут развиваться депрессивные расстройства.

Терапевтические эффекты видимого облучения

1. Улучшение кровоснабжения и трофики тканей.
2. Стабилизация функционирования облучаемых органов.
3. Метаболический эффект.
4. Фотодеструкция.
5. Нормализация функционирования нервной системы и психоэмоционального состояния пациента.

Показания к применению

1. Заболевания периферической нервной системы (невриты, корешковый синдром).
2. и мышц.
3. Последствия травматического повреждения суставов, связочного аппарата.
4. Патологические процессы внутренних органов воспалительного характера.
5. Контрактуры, инфильтраты.
6. Длительно заживающие раны.
7. Отморожения.

Хромотерапия с использованием красного и синего цвета применяется в дерматологии для лечения угревой болезни.

Противопоказания

1. Фотоофтальмия (острое поражение глаз вследствие облучения).
2. Острые гнойные воспалительные процессы.
3. Кровотечения.
4. Заболевания крови.
5. Недостаточность кровообращения.
6. Активный .
7. Злокачественные новообразования.

Методика проведения

Воздействие осуществляется на обнаженные участки тела человека. Источником света могут быть лампы соллюкс, рефлекторы медицинские, светодиодные излучатели. Расстояние от рефлектора до поверхности области облучения определяется видом и мощностью этих источников. Если воздействие осуществляется на кожные покровы, то глаза больного должны быть защищены специальными очками. Дозирование процедуры осуществляется по субъективным ощущениям пациента и по плотности потока энергии. Могут использоваться методы психофизиологической оценки цветовосприятия. Продолжительность процедур и их количество подбирается индивидуально. Лечебный сеанс длится около 20 минут и сопровождается ощущением легкого тепла. На курс лечения приходится от 10 до 20 процедур, которые проводятся каждый день. При необходимости назначаются повторные курсы светолечения через 4-5-6 недель.

Заключение

Лечебное воздействие видимого излучения нашло широкое применение в медицине. Хромотерапия – это безопасный и доступный метод терапии различных заболеваний, который практически не имеет побочных эффектов и осложнений. Этот метод физиотерапии может успешно сочетаться с другими лечебными процедурами. В результате прохождения курса фототерапии у пациентов улучшается самочувствие, психоэмоциональное состояние.

Косметолог Юлия Орищенко рассказывает о хромотерапии:

Телеканал «Россия-1», программа «Утро России», сюжет о хромотерапии:

– Слушай, почему в радуге семь цветов?
– Потому что нот семь.
– А апельсин почему оранжевый?
– Так и должно быть, он же синий…

(Из разговоров на физическом факультете)

В прошлом году мне пришло письмо от одной московской учительницы, в котором она интересовалась, почему в радуге 7 цветов. Вопрос этот не так прост, как может показаться, и в свое время был сложен даже для Ньютона. Как известно, изначально он выделял 5 основных цветов спектра (красный, желтый, зеленый, синий и фиолетовый), к которым позже добавил оранжевый и индиго .

Представители разных народов в своих языках выделяют разное количество цветов радуги, которое, к тому же, меняется с течением времени. Например, в 1703 году киевляне указывали на 4 цвета радуги: «В радуге свойства суть червеное, и синее, и зеленое, и багряное» (Колесов В. В. История русского языка в рассказах. - М., Просв., 1982).

В естественных языках выделяют абсолютные и относительные цвета. Абсолютные цвета - черный, белый, красный и т. п., относительные - морковный, темно-красный. Число абсолютных цветов в языках разных народов мира редко бывает больше трех десятков, однако известны языки, где их количество очень мало: в одном из африканских племен 2 (темный и светлый), в языке майду североамериканских индейцев Северной Калифорнии - 3 (сине-зеленый, красный, желто-оранжево- коричневый), в Японии - 4 (белый, черный, красный, сине-зеленый), в Китае - 5 (белый, черный, красный, сине-зеленый, желтый). Кстати, в Европе фиксировали 3 «основных» цвета (сначала - красный, желтый, синий, а позже - красный, зеленый и синий), а со времен Ньютона часто говорят о 7 цветах. Но и в этом случае, цвета не обязательно одинаковые. В казахском языке, например, радуга семицветна, но цвета не те. Тот цвет, что переводится на русский язык как голубой в казахском восприятии смесь голубого с зеленым, желтый - смесь желтого с зеленым. Т. е. то, что считается смесью цветов у русских, считается самостоятельным цветом у казахов. Американский оранжевый - это отнюдь не наш оранжевый, а в нашем понимании скорее красный. (Кстати, в случае цвета прически, наоборот, red - это рыжий.)

Конечно, на самом деле в радуге представлены почти цвета (кроме, например, белого, черного и промежуточных серых), а основных цветов можно выделить столько, сколько захочется. Почему Ньютон остановился на семи? Скорее всего, потому, что Ньютону семерка казалось необычным числом. Чтобы мир представлялся более гармоничным, чтобы число цветов соответствовало числу основных тонов в гамме. Вообще, в зависимости от важности тех или иных цветов и оттенков в обыденной жизни народа, некоторые из них могут иметь большее или меньшее отражение в языке. В культурах, для которых жизненно важно контролировать и оценивать состояние выращиваемых растений, насчитываются множество слов для выражения оттенков зеленого, у северных народов - белого, у южных - желтого цвета. (Для полноты картины укажем, что существуют цвета, которых вообще нет в радуге. Например, пурпурный или коричневый. Эти цвета представляют собой смесь волн разной длины, и им не соответствует никакая часть радуги.)

А уж если совсем честно, то в природе цветов вообще не существует - иллюзию цвета создает только наше воображение. Длины волн видимого света (в диапазоне 380-740 нанометров) можно назвать любыми цветами - они об этом никогда не узнают. Но сначала подробнее о свете.

Свет - воспринимаемое человеческим глазом электромагнитное излучение. В более широком понимании в это понятие включают также невидимые человеческим глазом ультрафиолетовое и инфракрасное излучения. Соответствующие длины волн меняются от 10 нанометров до 0,2 миллиметра (см. рис.) . Волны разных частот распространяются неодинаково. Например, человеческое тело непрозрачно для волн видимой части спектра, но не представляет преграды для рентгеновских лучей; инфракрасные лучи длиной более 1 мкм не могут пройти сквозь слой воды толщиной в несколько сантиметров, поэтому вода используется как теплозащитный фильтр.

Слова «электромагнитное излучение» значат очень многое, но для непосвященного читателя они не значат ничего. Краткая эволюция понимания природы света такова: в конце XVII века Исаак Ньютон предложил корпускулярную, а Христиан Гюйгенс - волновую теории света. Согласно корпускулярной теории, свет представлял собой поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами, а движение световых корпускул подчинялось законам механики. Например, отражение света понималось аналогично отражению упругого шарика от плоскости, а преломление света объяснялось изменением скорости корпускул при переходе из одной среды в другую. Волновая теория рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам. В основу теории был положен принцип Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, становится центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени.

Как оказалось впоследствии оба подхода удовлетворительно объясняли одни явления, но совершенно не подходили для других. В 60-е годы XIX века Максвеллом были установлены общие законы электромагнитного поля, которые привели его к заключению, что свет - это не механические, а электромагнитные волны. Электромагнитная теория света позволила объяснить многие явления, такие как интерференция, дифракция, поляризация, давление света. Но для понимания явлений излучения абсолютно черного тела, фотоэффекта, эффекта Комптона потребовалось введение квантовых представлений, и в 1905 Альберт Эйнштейн, применяя квантовую гипотезу Макса Планка к объяснению явления фотоэффекта, предложил считать, что электромагнитная волна состоит из отдельных порций - световых квантов, впоследствии названных фотонами.

Таким образом, свет мыслится нами вид материи (квантовое поле), не являющейся ни волнами, ни потоком частиц, но проявляющей их свойства в тех или иных условиях. Эта двойственность носит название корпускулярно- волнового дуализма света . Для описания таких объектов возникла квантовая механика, в ней состояние частицы описывается волновой функцией.

Распространяясь, свет попадает, в частности, на сетчатку - внутреннюю оболочку глаза, содержащую светочувствительные рецепторы. Воспринимая электромагнитное излучение, фоторецепторы преобразуют его в электрические импульсы и передают в виде сигнала в головной мозг. В сетчатке человека находятся 110-125 млн. палочек, очень чувствительных к свету и обеспечивающих ночное зрение, и 6-7 млн. колбочек, отвечающих за восприятие цвета.

По чувствительности к разным длинам волн света различают три вида колбочек. Колбочки S-типа (short - короткий) наиболее чувствительны в фиолетово-синей, коротковолновой части спектра, M-типа (medium - средний) - в зелено-желтой и L-типа (long - длинный) - в желто-красной, длинноволновой части спектра. Наличие этих трех видов колбочек и палочек, чувствительных в изумрудно-зеленой части спектра, дает человеку цветное зрение. В этом состоит сформулированная в XIX веке (Томас Юнг, Герман Гельмгольц, Джеймс Клерк Максвелл) «трехкомпонентная теория цветового зрения» или «трихроматическая теория цветовосприятия».

Зоны чувствительности средневолновых и длинноволновых колбочек значительно перекрываются, поэтому колбочки определенного типа реагируют не только на свой цвет; они лишь реагируют на него интенсивнее других.

В ночное время, когда поток фотонов недостаточен для нормальной работы колбочек, зрение обеспечивают только палочки, поэтому ночью человек не может различать цвета. Чувствительность палочки достаточна, чтобы зарегистрировать попадание одного-единственного фотона, чувствительность колбочек в 100 раз меньше: необходимо попадание от нескольких десятков до нескольких сотен фотонов. Палочки воспринимают свет преимущественно в изумрудно-зеленой части спектра, поэтому в сумерках изумрудный цвет кажется ярче, чем все остальные.

Палочки реагируют на свет медленнее, чем колбочки - палочка реагирует на раздражитель в течение около ста миллисекунд. Это позволяет быть более чувствительной к меньшим количествам света, но снижает способность к восприятию быстротекущих изменений, таких как быстрая смена образов. При достижении необходимой для восприятия цвета яркости высокочувствительные рецепторы сумеречного зрения - палочки - автоматически отключаются. Палочки преимущественно расположены по краям сетчатки и отвечают за периферийное зрение.

Колбочки гораздо лучше воспринимают быстрые движения. Светочувствительность колбочек невысока, поэтому для хорошего восприятия цвета необходима достаточная освещенность или яркость. Наиболее богаты цветовыми рецепторами центральные части сетчатки.

Теперь можно вернуться к понятию цвета. Цвет - качественная субъективная характеристика электромагнитного излучения видимого диапазона, определяемая на основании возникающего физиологического зрительного ощущения и зависящая от ряда физических, физиологических и психологических факторов. Восприятие цвета определяется также его спектральным составом, цветовым и яркостным контрастом c окружающими источниками света и несветящимися объектами. Понимание этого факта очень важно для дизайнеров: желтый цвет на красном фоне покажется зеленовато-желтым, а голубой - приобретет оттенок зеленого.

В человеческом сознании цвет обладает константностью - закрепленным представлением о цвете предмета как неотъемлемом признаке привычного объекта наблюдения. В частности, листва деревьев бессознательно признается зеленой даже при красноватом освещении на закате солнца. Для введения такой поправки в незнакомой ситуации служат поверхности с белой окраской: сопоставление с ними как с «эталоном», наряду с адаптацией глаза, позволяет бессознательно вводить поправку на освещение. Например, мы входим в темную комнату и видим черный шар на серой тряпке, понимаем, что серая тряпка на самом деле белая скатерть, и домысливаем, что черный шар - это красное яблоко. В случае отсутствия опыта наблюдений, цветовые ощущения и суждения человека о цвете предметов становятся неуверенными или ошибочными. Так, описания и попытки воспроизведения цвета «космических зорь» (восходы и закаты солнца на Земле, наблюдаемые с борта космического корабля), сделанные разными космонавтами, сильно отличаются одно от другого и от цвета этих «зорь», зафиксированных на фотографиях .

С годами цветовое видение мира меняется. Обусловлено это постепенным с течением жизни помутнением хрусталика, отчего цвета становятся более желтыми. Рассказывают историю про Илью Репина, которого в конце жизни попросили отреставрировать его же собственную картину, написанную многими годами раньше. Каково же было удивление реставраторов, когда они увидели, что художник не попадает в цвет - теперь он видел иначе.

Больше того, нет ровно никаких способов проверить, одинаковые ли цвета мы видим. И вправду, когда мы были маленькими, мы спрашивали взрослых, как называется тот или иной цвет. И приучились называть видимые нами цвета так, как нам сказали. При этом те цвета, на которые мы показывали, мы могли видеть совсем не так, как эти взрослые.

Для понимания цветовосприятия необходимо знать о таком свойстве нашего зрения как метамерия. Не все цвета радуги «независимы» друг от друга. Некоторые из них можно получать смешивая другие. Например, если на сетчатку глаза одновременно попадают красный и зеленый лучи, то мы увидим один луч, причем желтого цвета и глаз не заметит подмены (опыт можно проделать при помощи двух проекторов, пересекая на белом экране лучи, пропущенные через те или иные цветные стеклышки). Это явление называется метамерией.

Метамерия - свойство зрения, при котором свет различного спектрального состава может вызывать ощущение одинакового цвета. Метамерия цвета увеличивается с уменьшением его насыщенности, т. е. чем менее насыщен цвет, тем большим числом комбинаций смесей излучений разного спектрального состава он может быть получен. Для белых цветов характерна наибольшая метамерия. Физиологически метамерия зрения основана на строении периферического отдела зрительного анализатора. Человеческое зрение является трехстимульным анализатором. Если сравниваемые потоки излучения с разным спектральным составом производят на колбочки одинаковое действие, то цвета воспринимаются как одинаковые.

Математическое описание цвета положило начало новой науке - колориметрии. В 1853 году Герман Грассман сформулировал три закона синтеза цвета: законы «трехмерности», «непрерывности» и «аддитивности». «Закон трехмерности» - любой цвет однозначно представляется в виде комбинации трех независимых цветов (независимость заключается в том, что нельзя получить никакой из указанных трех цветов сложением двух остальных). «Закон непрерывности» - при непрерывном изменении излучения цвет изменяется также непрерывно; поэтому к любому цвету можно подобрать бесконечно близкий. «Закон аддитивности» - цвет смеси излучений зависит только от их цветов, но не от спектрального состава; то есть цвет смеси, например, желтого и фиолетового цветов не зависит от того, смешением каких именно цветов были в свою очередь получены эти желтый и фиолетовый цвета.

Цветовое зрение свойственно многим видам животных. У позвоночных (обезьяны, многие виды рыб, земноводные), а из насекомых у пчел и шмелей цветовое зрение трихроматическое, как и у человека. У сусликов и многих видов насекомых цветовое зрение дихроматическое, т. е. основано на работе двух типов светоприемников, у птиц и рептилий - зрение четырехкомпонентно. Для насекомых видимая область спектра смещена в сторону коротковолновых излучений и включает ультрафиолетовый диапазон. Поэтому мир красок насекомого существенно отличается от нашего.

В животном мире известны четырех- и даже пятистимульные цветовые анализаторы, так что цвета, воспринимаемые человеком одинаковыми, животным могут казаться разными (так, хищные птицы видят следы грызунов на тропинках к норам исключительно благодаря ультрафиолетовой люминесценции компонентов их мочи).

Похожая ситуация складывается и с системами регистрации изображений, как цифровыми, так и аналоговыми. Хотя в большинстве своем они, как и зрение человека, являются трехстимульными (три слоя эмульсии фотопленки, три типа ячеек матрицы цифрового фотоаппарата или сканера), их метамерия отлична от метамерии человеческого зрения. Поэтому цвета, воспринимаемые глазом как одинаковые, на фотографии могут получаться разными.

Тем самым была обоснована возможность (с точностью до влияния условий освещенности и субъективности цветовосприятия индивидом) разработки способов количественного выражения цвета в виде набора трех чисел. В 1860 году Максвелл предложил в качестве тройки независимых цветов использовать красный, зеленый, синий. Соответствующая аддитивная система по первым буквам соответствующих английских слов называется RGB, и в настоящее время она доминирует в системах цветовоспроизведения для мониторов и телевизоров.

Однако наш глаз воспринимает не только испущенный, но и (в основном) отраженный свет. Вопрос о цвете отраженного света отличается от уже рассмотренного. Вспомним обычные акварельные краски на листе бумаги. Смесь красного и зеленого красителя не дает желтого цвета. Это же верно и в предельном случае: если смешать все цвета палитры, то получится не белый, а грязный. В чем же разница?

Для понимания цветовосприятия отраженного цвета мы должны отметить, что при попадании излучения на некоторую поверхность часть его может частично или полностью поглотиться, в то время как другая часть отражается. Совместное действие электромагнитных излучений во всей видимой части спектра вызывает ощущение белого света, а раздельное действие совокупности излучений, оставшихся после поглощения некоторых из них - окрашенного.

При этом мы видим попавшую в наш глаз отраженную, то есть не поглощенную часть спектра. Поэтому краситель, воспринимаемый нами как оранжевый, в действительности поглотил все лучи, кроме дающих ощущение оранжевого цвета. А это означает, что отразившая поверхность является в действительности зеленовато-синей. (И если бы нам удалось заставить поверхность апельсина светиться, то мы убедились бы в этом воочию.) В этом смысле любимые нами апельсины на самом деле цвета баклажанов, а баклажаны, наоборот, окрашены в веселые оранжевые тона (см. табл.).

Для описания отраженного цвета в 1951 году Энди Мюллер предложил субтрактивную (вычитательную) модель CMYK (от английских слов голубой, пурпурный, желтый, ключевой). Эта система обладает преимуществами в полиграфии, цветной фотографии и печати. Например, компьютер подает на монитор излучаемые цвета в системе RGB, а на принтеры - в системе CMYK.

Понимание света как электромагнитной волны близко к пониманию звука как волны механической. Основное свойство всех волн, независимо от их природы, состоит в том, что в виде волны осуществляется перенос энергии без переноса вещества (последний может иметь место лишь как побочное явление). Например, после прохождения по поверхности жидкости волны, возникшей от брошенного в воду камня, частицы жидкости останутся приблизительно в том же положении, что и до прохождения волны.

Звук - это колебания упругой среды, распространяющиеся в виде волн в газообразной, жидкой или твердой средах. В узком смысле - это явление, субъективно воспринимаемое ухом человека и животных.

Человек слышит звук с частотой от 16 Гц до 20 000 Гц. Физическое понятие о звуке охватывает как слышимые, так и неслышимые звуки. Звук с частотой ниже 16 Гц называется инфразвуком, выше 20 000 Гц - ультразвуком. Высокочастотные упругие волны в диапазоне от 10 9 до 10 12 -10 13 Гц относят к гиперзвуку.

Область инфразвуковых частот снизу практически не ограничена - в природе встречаются инфразвуковые колебания с частотой в десятые и сотые доли герц. Частотный диапазон гиперзвуковых волн сверху ограничивается физическими факторами, характеризующими атомное и молекулярное строение среды: длина упругой волны должна быть значительно больше длины свободного пробега молекул в газах и больше межатомных расстоянии в жидкостях и в твердых телах. Поэтому в воздухе не может распространяться гиперзвук с частотой 109 Гц и выше, а в твердых телах - с частотой более 10 12 -10 13 Гц.

Основные параметры любых волн, в том числе и звуковых, - частота и амплитуда колебаний. Частоту звука измеряют в герцах (Гц - число колебаний в секунду). Человеческое ухо способно воспринимать звук примерно от 16 Гц до 20 кГц.

Амплитуду звуковых колебаний называют звуковым давлением или силой звука. Эта величина характеризует воспринимаемую громкость звука. Абсолютную величину звукового давления измеряют в единицах давления - Паскалях (Па). Самые слабые звуки, которые способно воспринять наше ухо, порог слышимости, имеют амплитуду 20 мкПа, самые сильные - в 10 миллионов раз большую - 200 Па.

Поскольку диапазон значений слишком широк, абсолютными величинами звукового давления пользоваться неудобно (попробуйте с приемлемой точностью изобразить на графике величины, различающиеся в миллионы раз). Поэтому на практике используют понятие уровня звука, измеряемого в децибелах (дБ) и характеризующее его относительную силу.

Уровень звука определяется по формуле (где - давление измеряемого звука, а - порог слышимости), то есть как десятичный логарифм отношения абсолютной величины звукового давления к величине порога слышимости; исходя из некоторых соображений, логарифм умножают на 20. При таком определении весь диапазон слышимых звуков укладывается в шкалу 0-140 дБ; разница в 1 децибел соответствует изменению громкости примерно на 10%, а меньшее отличие человеческое ухо уловить не способно.

Логарифмическая шкала, хотя и непривычная, очень близка к восприятию звука человеком. Например, незначительное изменение силы тихого звука дает ощущение заметного увеличения громкости, в то время как незначительное изменение громкости громкого звука останется почти незаметным. Это вполне отвечает математическому описанию относительной силы звука при помощи логарифмов.

Некоторые значения уровней звука

Звуковая волна хорошо передается по земле, поэтому, когда мы хотим узнать, не едет ли где-то поблизости наша электричка, мы прикладываем ухо к рельсу. Звук может распространяться также по воде - вспомним о звуковых каналах в океанах. И, наконец, он может прийти к нам по воздуху. Что же именно и как к нам приходит?

За восприятие звука в человеческом организме отвечает специальный орган, называемый ухом. Снаружи расположено так называемое внешнее ухо, переходящее в слуховой проход примерно 0,6 см в диаметре и около 2,5 см в длину, заканчивающийся барабанной перепонкой, разделяющей внешнее и среднее ухо. К барабанной перепонке присоединена косточка, называемая молоточек. Вместе с двумя другими - наковальня и стремя - они передают вибрацию барабанной перепонки на следующую закрученную, как улитка, перепонку - внутреннее ухо. Это трубка с жидкостью диаметром около 0,2 мм длиной 3-4 см. Колебания воздуха слишком слабы, чтобы напрямую колебать жидкость, но среднее ухо вместе с барабанной перепонкой и перепонкой внутреннего уха составляют гидравлический усилитель: площадь барабанной перепонки во много раз больше перепонки внутреннего уха, поэтому давление усиливается в десятки раз.

Внутри улитки находится перепончатый канал, также заполненный жидкостью, на нижней стенке которого расположен рецепторный аппарат слухового анализатора, покрытый волосковыми клетками. Волосковые клетки улавливают колебания жидкости, заполняющей канал. Каждая волосковая клетка настроена на определенную звуковую частоту, причем клетки, настроенные на низкие частоты, располагаются в верхней части улитки, а высокие частоты улавливаются клетками нижней части улитки.

Таким образом, движения стремечка вызывают волнообразные колебания жидкости внутреннего уха, которые улавливаются волосковыми клетками, расположенными вдоль всей длины улитки, и преобразуются в электрические импульсы. Далее эти электрические импульсы передаются по слуховому нерву в головной мозг.

Слуховой нерв состоит из тысяч тончайших нервных волокон. Каждое волокно начинается от определенного участка улитки и передает определенную звуковую частоту. Низкочастотные звуки - например, шум машины или поезда, - передаются по волокнам, исходящим из верхушки улитки, а высокочастотные – например, щебет птиц, - по волокнам, связанным с ее основанием. Таким образом, различные звуки вызывают электрическое возбуждение различных волокон в составе слухового нерва. Именно эти различия способен воспринимать и интерпретировать мозг.

Помимо восприятия света, цвета и звука важными для развития человечества являются вопросы их фиксации. К сожалению, мы научилось записывать звук много позже, чем сохранять изображения: Томас Алва Эдисон изобрел фонограф, с помощью которого на восковых цилиндрах металлической иглой записывалась и считывалась звуковая информация, только в 1877 году.

Устройство современных цифровых средств звукозаписи основано на важнейшем аспекте математического описания звука - теореме Котельникова - Найквиста - Шеннона, иначе называемой теоремой об отсчетах. Суть теоремы состоит в том, что для получения качественной записи звука цифровое устройство должно записывать звук как минимум вдвое чаще частоты этого звука.

Например, простейшие мобильные телефоны, диктофоны, автоответчики предназначены для передачи или записи голоса человека, спектр частот которого не более 3 кГц. Поэтому речь человека записывается автоответчиком в виде электрического сигнала 8-11 тысяч раз в секунду (иными словами, используется частота дискретизации 8-11 кГц). Другой пример: наибольшая частота звука, воспринимаемая человеком, составляет 20 кГц, поэтому для того, чтобы гарантированно качественно передать любой звуковой материал в стандарте Audio CD используют частоту дискретизации 44,1 кГц.

Еще одной важнейшей характеристикой звука является его спектр, получаемый в результате разложения звука на простые гармонические колебания (т. н. частотный анализ звука). Спектр бывает сплошной, когда энергия звуковых колебаний непрерывно распределена в более или менее широкой области частот, и линейчатый, когда имеется совокупность дискретных (прерывных) частотных составляющих. Звук со сплошным спектром воспринимается как шум, например шелест деревьев под ветром, звуки работающих механизмов. Линейчатым спектром с кратными частотами обладают музыкальные звуки; основная частота определяет при этом воспринимаемую на слух высоту звука, а набор гармонических составляющих - тембр звука.

Возможность звукозаписи позволяет человеку хранить, обрабатывать и передавать звуки нашего мира потомкам.

Понимая, как именно мы видим и слышим, осознавая, что наши разноцветные и многоголосые миры индивидуальны, а потому неповторимы, зная, что мир вокруг нас он только наш и ничей больше - ведь у других миры иначе раскрашены и по-другому звучат; слыша дождь и видя перед собой радугу, вспомним, что все это - лишь волны. И только мы сами наделяем их смыслом, красотой и звучанием.

Вы когда-нибудь пробовали поднести к уху ракушку? Помните?.. Так звучим мы.