Новый физический фейерверк - Джирл Уокер

Одна из секций омматидия может определить поляризацию света. В некоторых омматидиях эта секция закручивается по часовой стрелке вокруг центральной оси, а в других — против часовой стрелки. Насекомое обнаруживает ориентацию и степень поляризации света, используя три сигнала. Два из них исходят из чувствительных к поляризации секций, по одному от двух направлений поворота. Третий сигнал поступает от ультрафиолетовых детекторов в омматидиях, которые определяют яркость ультрафиолетового излучения. На основе этих трех сигналов от группы омматидиев насекомое может отслеживать поляризацию неба.

До сих пор непонятно, как мозг насекомого использует эту информацию. Однако мы знаем, что пчелы обмениваются информацией между собой, исполняя особый танец — выписывая в воздухе петли, в которых зашифрована информация.

Способность определять поляризацию света может использоваться и для других целей, помимо навигации. Например, некоторые водяные жуки обнаруживают водоемы по поляризации света, отражающегося от воды, который сильно поляризован в горизонтальной плоскости. Люди надевают специальные поляризационные солнцезащитные очки, поглощающие горизонтально поляризованный свет, чтобы убрать блики отраженного от воды света. Автомобилисту может мешать горизонтально поляризованный свет, отраженный от асфальта; эту помеху тоже легко устранить с помощью поляризационных очков. Иногда мухи ошибочно принимают поляризованный свет, отраженный от асфальта, за признак воды, начинают роиться на асфальте и откладывать там яйца, которые, естественно, быстро гибнут.

Большинство людей способны определить поляризацию света на глаз. Посмотрите через поляризационный фильтр на яркий фон и сделайте так, чтобы в поле зрения не было никаких посторонних предметов (используйте одно стекло из поляризационных солнцезащитных очков). В течение нескольких секунд на линии зрения вы увидите на синем фоне маленькую, едва заметную желтую фигуру в форме песочных часов (рис. 7.6). Эта фигура называется щеткой Гайдингера в честь Вильгельма Карла фон Гайдингера, который открыл ее в 1844 году.

Рис. 7.6 / Задача 7.39. Щетка Гайдингера, видимая в поляризованном свете.

Чтобы щетка Гайдингера стала для вас заметнее, поверните фильтр вокруг линии видимости так, чтобы изменилось направление поляризации света, попадающего в ваш глаз. Фигурка песочных часов тоже повернется (короткая ось желтой фигуры останется параллельной вектору поляризации света). Эта фигура увеличится, если в подсветке синий цвет будет преобладать над другими цветами. Голубое небо для этой цели вполне подойдет.

Не все могут увидеть щетку Гайдингера, и способность ее увидеть, похоже, падает с возрастом. Когда я был моложе, я мог увидеть фигуру и без фильтра, глядя на поляризованный свет, идущий от неба. Что именно в глазу отвечает за появление этой фигуры и за чувствительность глаза к поляризации света?

ОТВЕТ • Традиционно считается, что ответственна за то, что мы видим щетку Гайдингера, macula lutea, или желтое пятно. Это область, в центре которой находится фовеа, центральная ямка. Раньше полагали, что чувствительность к направлению поляризации света обусловлена расположением молекул пигмента, придающих этому участку желтый цвет. Эти молекулы поглощают синий свет определенной поляризации. Считалось, что они ориентированы вдоль радиальных линий, исходящих из общего центра. Более поздняя модель предполагает, что сами молекулы не должны быть ориентированными. Вместо этого они, возможно, собираются в группы, ориентация которых друг относительно друга обеспечивает избирательное поглощение синего света с поляризацией в определенном направлении.

Чтобы понять, как работает любая из этих моделей, я предположу, что пигменты, покрывающие желтое пятно, расположены вдоль двух пересекающихся линий, одной горизонтальной и другой вертикальной. Если вертикально поляризованный синий свет попадает в глаз, пигменты, лежащие вдоль вертикальной линии, пропускают свет к лежащим под ними колбочкам, а пигменты, лежащие вдоль горизонтальной линии, поглощают свет, не позволяя ему достичь расположенных под ними колбочек. Если, наоборот, горизонтально поляризованный свет попадает в глаз, тогда пигменты на горизонтальной линии пропускают свет, а на вертикальной линии — нет.

Предположим, что вертикально поляризованный свет попадает в глаз и что этот свет почти белый, но в его составе больше синего цвета, чем других цветов. Тогда колбочки, расположенные под вертикальной линией, возбуждаются, и вы видите синюю вертикальную линию. А вот пигменты, расположенные вдоль горизонтальной линии, поглощают синий цвет, и колбочки за этой линией пропускают только попадающий в глаз свет оставшихся цветов. Белый или почти белый свет, из которого вычтен синий цвет, воспринимается как желтый. Таким образом, вы видите горизонтальную линию желтого цвета, которая и является фигурой песочных часов. Вертикальная линия синего цвета воспринимается в виде синих областей по сторонам песочных часов.

Если бы это объяснение было полным, вы не увидели бы синие области, если бы рассматривали фигуру на фоне неба или какого-либо другого протяженного источника преимущественно голубого света, потому что синий ореол нельзя было бы отличить от фона. Чтобы завершить объяснение, мы, по-видимому, должны предположить, что мозг добавляет дополнительный синий цвет в этот ореол. Предположительно, эта субъективная окраска ореола спровоцирована желтой окраской соседних с ним частей песочных часов.

В 1810 году Иоганн Вольфганг фон Гёте, немецкий мыслитель, великий писатель и один из первых исследователей цветного зрения, описал следующий эксперимент: «В сумерках поставим короткую горящую свечу на лист белой бумаги. Перед ней и угасающим дневным светилом поставим вертикально карандаш, так чтобы отбрасываемая им тень в свете свечи освещалась, но не исчезала в слабом дневном свете. И тогда мы увидим, что эта тень чудесного голубого цвета».

Вы можете проделать похожий эксперимент. В темной комнате осветите экран лучами двух прожекторов. На пути одного луча поместите цветной фильтр, например кусок красного целлофана. Поставьте руку перед ним так, чтобы она отбрасывала небольшую тень на экран. За пределами тени экран розовый, потому что на него падает красный свет от первого прожектора и белый свет от второго прожектора. Внутри тени экран должен быть белым, потому что красный свет от первого прожектора заблокирован вашей рукой и экран освещен только вторым прожектором. Однако внутри тени экран сине-зеленый. Почему тень окрашивается?

ОТВЕТ • Я объясню эксперимент с прожекторами, а эксперимент великого Гёте попробуйте объяснить сами. Изображения экрана и тень вашей руки возбуждают три типа колбочек-фоторецепторов на сетчатке. Изображение розового экрана сильно возбуждает красные колбочки и гораздо меньше — зеленые и синие колбочки.