Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Камера с линзами была создана в то время, когда были изобретены способы записывать изображения. Для этого изображение должно быть сформировано на поверхности, на которую нанесены химические вещества, реагирующие на свет[84]. В эту работу внесли свой вклад: французский физик Жозеф Нисефор Ньепс (1765–1833), французский художник Луи Жак Манде Дагер (1789–1851) и английский изобретатель Уильям Генри Фокс Толбот (1800–1877). К середине XIX века камера была уже вполне практичным устройством для создания и хранения изображений и фотография («светопись») стала незаменимой во всех областях научной работы.

Для получения ярких изображений нужно собрать как можно больше света. Для этого требуется линза большого диаметра с коротким фокусом. Чем больше диаметр, тем больше света собирается в изображение. Необходимость в коротком фокусе обоснована тем, что, как уже описывалось в гл. 2, применительно к зеркалам, чем ближе изображение к линзе, тем оно меньше. А чем меньше изображение, создаваемое из фиксированного количества света, тем оно ярче. Чтобы измерить яркость изображения, которое может создать линза, мы должны учесть оба фактора и узнать отношение фокусного расстояния (f) к диаметру (D). Это отношение, f/D, называется фокусным числом. При уменьшении f и/или увеличении D фокусное число уменьшается. Чем меньше фокусное число, тем ярче изображение.

Изображение, изначально создаваемое на пленке с химическим покрытием, становится темным в интенсивно освещенных точках (поскольку действие света заключается в выделении черных частиц металлического серебра) и светлым — в слабо освещенных точках. Таким образом, изображение получается негативным — светлым при изображении темного и темным при изображении светлого. Если свет проходит сквозь него и попадает на бумагу, покрытую светочувствительными химикатами, получается негатив негатива. Тогда вновь достигается оригинальное соотношение светлого и темного. Это позитив, и это окончательная картинка.

Позитив может быть напечатан на прозрачной пленке. В таком случае маленький, но сильный источник света может быть сфокусирован на ней посредством линзы и зеркала, а изображение — спроецировано на экран. Выходя из проектора, лучи расходятся в стороны, и изображение на экране может быть очень сильно увеличено по сравнению с изначальным позитивом. Такие устройства могут быть использованы в некоторых случаях для демонстрации фотографий, но гораздо более обширное применение они получили как средства массового развлечения.

Следующая возможность проистекает из того факта, что, когда клетки роговицы реагируют на определенный образец света и темноты, им требуется доля секунды, чтобы восстановиться и приготовиться к принятию следующего образца. Если в темной комнате помахать длинной лучиной с красным угольком на конце, то вы увидите не отдельную движущуюся точку света, а непрерывную кривую, которой можно выписывать круги и овалы.

А представьте теперь, что движущиеся объекты быстро фотографируют несколько раз подряд. На каждой фотографии положение объекта окажется слегка измененным по сравнению с предыдущей. В 1889 году американский изобретатель Томас Алва Эдисон (1847–1931) поместил такие фотографии на непрерывную ленту с перфорацией по краю. За эту перфорацию пленку можно было протягивать линейно с постоянной скоростью с помощью равномерно вращающейся звездочки. Если настроить свет проектора таким образом, чтобы он быстро мигал, то каждая вспышка будет последовательно выдавать на экран изображение, соответствующее одному кадру. Тогда глаз видит одну картинку за другой, причем последующая лишь немного отличается от предыдущей. Поскольку глаз еще будет восстанавливаться после предыдущей картинки, он будет еще видеть ее в тот момент, когда на экране уже появится следующая. Таким образом достигается иллюзия непрерывного движения. Так были представлены «живые картинки».

Любой, кто имел дело с собирающими линзами, прекрасно знает, что предмет, на который глядишь сквозь них, кажется больше. Похоже, что это знали уже в древности, потому что такой же эффект достигается и просто с помощью стеклянного сосуда округлой формы, в который налили воду.

Чтобы понять это, нужно сначала уяснить, что мы не воспринимаем истинные размеры предмета напрямую, а лишь судим о них по набору косвенных признаков, среди которых — угол, под которым падает свет от краев предмета.

Например, допустим, что в 25 см от глаз горизонтально держат палочку длиной 4 см. Угол между лучами света, попадающими в глаз с одного и с другого концов палочки, составляет 9,14°. Другими словами, если мы посмотрим прямо на один конец палочки, а затем повернем голову, чтобы посмотреть прямо на другой, нам придется повернуть ее на 9,14°. Это угол зрения, или угловой диаметр предмета.

Если бы палочка была только два сантиметра длиной, то угол зрения составил бы 4,58°, а для восьмисантиметровой палочки — 18,8°. Угол зрения не совсем пропорционален размеру, но при небольших значениях — почти. На собственном опыте мы познаем эти пропорции и автоматически оцениваем относительный размер предметов по углу зрения.

Однако угловой размер предмета также зависит и от расстояния. Допустим, что восьмисантиметровая палочка, находясь на расстоянии 25 см, занимает угол зрения в 18,18°. На расстоянии 50 см угол зрения будет уже 9,14°, а на расстоянии 100 см — 4,58°. Другими словами, мы также хорошо знаем по собственному опыту, что чем дальше предмет отстоит от глаза, тем меньше он кажется. Большой предмет, отстоящий далеко от глаза, будет выглядеть меньше, чем маленький, находящийся близко к глазу. Так, восьмисантиметровая палочка, отстоящая от глаза на 100 см, будет занимать угол зрения меньше, чем четырехсантиметровая, находящаяся на расстоянии 25 см, и соответственно будет выглядеть меньше.

Не похоже, чтобы это могло ввести нас в заблуждение. С малых лет мы приучаемся принимать в расчет при оценке истинных размеров предмета не только угол зрения, но и расстояние. Для того чтобы, взглянув сперва на отдаленную восьмисантиметровую палочку, посмотреть потом на приближенную четырехсантиметровую, наш глаз должен изменить хрусталик, а также оба наших глаза должны изменить направление взгляда, чтобы оба они сфокусировались на одном и том же предмете (чем ближе предмет, тем сильнее глазам надо скоситься к переносице). Нам не обязательно надо осознавать, что наши хрусталики изменяются или что взгляд сходится к переносице; мы просто правильно оцениваем эти ощущения и можем сделать из них вывод, что четырехсантиметровая палочка находится ближе. Приняв это во внимание наряду с углом зрения, мы обычно без проблем можем сделать вывод, что палочка, кажущаяся меньше, на самом деле больше. Мы даже можем убедить себя, что она и выглядит больше.

Изменения в приспособлении хрусталика и сведение глаз используются, когда речь идет о сравнительно близких предметах. Глядя же на удаленные предметы, мы оцениваем расстояние в сравнении с соседними предметами, размер которых мы знаем. Так, далекая секвойя может не показаться нам особенно большой, пока мы не увидим у ее подножия крохотного человека. Тогда мы понимаем, насколько далеко она находится, и ее подлинный размер становится очевидным. Она начинает казаться большой.