В Международный день света (16 мая) ученые Пермского Политеха рассказали, почему глаза у человека на фото становятся красными, а у кошек — зелеными, что случилось с фоторецепторами дальтоников, зачем животным «третий» глаз, откуда у света масса и способность «давить», можно ли звук превратить в свечение и существуют ли частицы, которые двигаются быстрее скорости света.
Как человек воспринимает цвет?
— Цветовое зрение, то есть способность глаза различать цвета, основано на его способности ощущать различия в спектральном составе видимых излучений. Таким образом, ключевым участником процесса цветоощущения является зрительная сенсорная система живого организма, включающая точный и тонко настроенный «прибор» (глаз), который воспринимает электромагнитные лучи с помощью специальных фоторецепторов (сенсорных нейронов), — рассказывает Ольга Красных, доцент кафедры химических технологий ПНИПУ, кандидат химических наук.
В результате поглощения таким рецептором кванта света происходит фотохимическая реакция. В ходе работы сложной сопряженной системы клеток и органов сигнал, генерируемый фоторецепторами, преобразуется в зрительные ощущения. Так формируются образы окружающей действительности, которые обладают не только формой, размером, но и цветом. При этом результат зависит от характеристик электромагнитной волны, типа задействованных фоторецепторов (у млекопитающих, например, это «палочки», «колбочки», а также сравнительно недавно открытые светочувствительные ганглиозные клетки сетчатки глаза), работы специализированных нейронов, нервов и состояния принимающего и обрабатывающего сигнал участка головного мозга.
Этот процесс чрезвычайно сложный, и каждая стадия может повлиять на результат. Но разнообразие в цвете для человека определяется, прежде всего, длиной волны падающего на фоторецептор светового излучения.
Человек не различает цвета — в чем причина?
Ольга Красных отмечает, что каждый фоторецептор «работает» в заданном интервале длин волн, то есть обеспечивает чувствительность организма к определенной части спектра и к возникновению ощущения конкретного цвета. Так, у человека за восприятие цвета отвечают в основном три типа «колбочек», чувствительных к фиолетово-синей, зелено-желтой и желто-красной частям спектра. Если по какой-то причине хотя бы один из рецепторов функционирует не должным образом или совершенно выключен из работы, то данный участок электромагнитного излучения не будет восприниматься организмом. Поэтому ощущение цвета, отвечающее за этот интервал, будет отсутствовать. Такое нарушение, часто наследственное, лежит в основе аномалии зрения — дальтонизма.
Почему у существ, живущих на Земле, зрительный аппарат так сильно различается?
Разнообразие жизни на Земле обусловило соответствующее разнообразие органов зрения. Главная их функция — помогать живому организму ориентироваться в пространстве. А различаются они в зависимости от уровня организации, среды обитания, образа жизни и других факторов. Например, дождевой червь «видит» благодаря фоторецепторным клеткам, которые находятся в большинстве частей эпидермиса и позволяют ему отличать свет и тень.
Глаза большинства земноводных — парный орган, позволяющий различать цвета, а также воспринимать излучение в УФ-области. Благодаря анатомии глаза поле зрения многих представителей бесхвостых земноводных увеличивается до 360 градусов. При этом остается довольно большой сектор, где зрение бинокулярно, то есть дает возможность оценивать размеры, расстояния и успешно фиксировать движущиеся предметы (добычу).
— У большого количества бесхвостых земноводных, рыб и рептилий, кроме обычной пары глаз, присутствует непарный светочувствительный орган — теменной (или третий) глаз. Он расположен на макушке и выглядит как «ямка», заросшая кожей. Этот орган способен улавливать фотоны и оценивать интенсивность светового потока, при этом изображения он не дает. Известно, что теменной глаз может реагировать на широкий диапазон длин волн: от ультрафиолетового до красного. Более того, этот орган особо чувствителен к поляризации света и позволяет определять положение солнца на небе даже в пасмурную погоду. Так животные с высокой точностью определяют время рассвета и заката, — рассказывает Ольга Красных.
Почему на старых фотографиях глаза получались красными?
— Такой эффект достигался попаданием на пленку света, отраженного от глазного дна. Поскольку на нем множество кровеносных сосудов, свет получался красным. При этом натуральный цвет глаз человека не важен — отблеск в любом случае будет красным, — отмечает Константин Латкин, старший преподаватель кафедры общей физики ПНИПУ.
Есть и другая теория: эффект «красных глаз» достигается за счет отражения фотовспышки от сетчатки глаза. У человека она лучше поглощает коротковолновую область светового спектра, и потому красная, длинноволновая, больше отражается. У животных отраженный через зрачок свет может иметь другой оттенок. Так, например, у кошек возникает эффект «зеленых» глаз благодаря особому слою, который делает их зрение острее в темноте.
Как звук превращается в свет?
— Звук — это колебания плотности, распространяющиеся в упругой среде. В прямом смысле превратить их в свет нельзя. Но эти колебания указывают на наличие в ней деформаций, а деформация некоторых веществ (кварца, цинковой обманки и других пьезоэлектриков) приводит к возникновению на их поверхности электрических зарядов, которые могут создать искру. А искра — это электромагнитная волна, то есть свет, — рассказывает Дмитрий Баяндин, доцент кафедры общей физики ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
Как добавляет Константин Латкин, любое тело состоит из молекул и атомов, которые колеблются и передают это движение соседним частицам. Энергию этого движения мы определяем температурой. Передача этих колебаний от частицы к частице очень похожа на распространение звука. С точки зрения физики, между этими двумя явлениями нет больших различий. То есть в любом нагретом теле очень много звуков, которые просто не могут быть распознаны человеческим ухом. Значит, свет от сильно нагретых тел создан своего рода сложными внутренними звуками материала.
С помощью звука возможно также управлять светом. Например, в акусто-оптических датчиках звуковая волна выступает в роли слабого зеркала. А при бриллюэновском рассеянии звук способен изменить цвет света — частоту и длину волны.
Почему свет, не обладая массой, оказывает давление?
С квантовой точки зрения, свет — это поток (фотонов), которые принципиально не могут быть в состоянии покоя и перемещаются со скоростью, называемой скоростью света. Раз фотон находится в постоянном движении, у него нет массы в привычном, бытовом смысле. Но есть энергия и импульс. Передавая освещаемой поверхности импульс, поток фотонов создает давление на эту поверхность.
— И все же «невесомому» фотону можно присвоить массу, если воспользоваться формулой теории относительности Е=mc2. Масса фотона отсюда равна его энергии, деленной на квадрат скорости света. Чем больше частота фотона (вспомним, что свет является также электромагнитной волной), тем больше его масса, — добавляет Дмитрий Баяндин.
Может ли частица с массой достичь скорости света — 299,8 тысяч м/с?
— Ученым удалось разогнать электрон до 99,999999995% от скорости света. При этом частица, обладающая массой, не может достигнуть скорости света. Это ограничение описано в специальной теории относительности Альберта Эйнштейна: для разгона массивной частицы каждый раз будет требоваться все больше энергии, а скорость света так и не будет достигнута. Это и происходит в экспериментах по разгону электрона. Кстати, увеличивают его скорость с помощью искусственно созданных электрических полей, а направление задают — с помощью магнитных, — рассказывает Константин Латкин.
Есть частицы, которые движутся быстрее скорости света — тахионы?
— Тахионы появились поначалу как плоды «игр разума». Физики около ста лет пытаются построить теорию, которая объединяла бы и объясняла многообразие элементарных частиц и четыре типа их взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое ядерное. За прошедшие десятилетия были разработаны квантовая электродинамика, электрослабая теория, теория великого объединения, предпринимаются попытки создания «теории всего». В основе их всех лежат идеи квантовой механики и теории относительности. Например, для выполнения известных соотношений теории относительности тахионы должны не просто иметь возможность двигаться быстрее света — они не имеют права двигаться медленнее света. При замедлении тахионов (но до скорости, превышающей скорость света) их энергия не уменьшается, а увеличивается, — объясняет Дмитрий Баяндин.
Тахионы также существуют в теории струн: все частицы (включая предполагаемые) в четырехмерном пространстве-времени являются лишь колебанием «струн», из которых состоит все вокруг. Все эти теоретические построения демонстрируют некие модели устройства мира, но не все могут предложить эксперименты, подтверждающие их истинность. Потому и остаются красивыми моделями, а не теориями в полном смысле слова. То же самое можно сказать о тахионах — теоретические модели есть, но частицы не обнаружены, и даже непонятно, как их найти.
Получится ли замедлить и полностью остановить свет?
— Скорость света в вакууме — фундаментальная постоянная. С этой скоростью распространяется не только свет, но и гравитационное поле. Мы знаем, что свет от Солнца достигает Земли примерно за 8 минут. Если неожиданно из нашей системы исчезнет Солнце, то и гравитационное поле звезды в области Земли исчезнет вместе с последними лучами. Так как свет — электромагнитная волна, то он может взаимодействовать с заряженными частицами, протонами и электронами. Свет, попадая в любой материал, замедляется, словно «увязает» в нем. Например, в воде скорость света уменьшается в 1,33 раза. Сильно замедлить или вообще остановить свет не получится. Это волна, которая существует только в движении, — объясняет Константин Латкин.