Необъяснимые явления

Нынешняя теория цветного зрения довольно стара. Она в основном была создана во второй половине прошлого века. В наши дни, когда в физике идет непрерывное обновление, непрерывная смена теорий, возраст ее кажется очень большим и вызывает у некоторых даже не меньшее удивление, чем возраст какого-нибудь старого, но все еще не побитого спортивного рекорда.

Чем же объяснить столь почтенный возраст этой теории?

Тем ли, что она верна, или тем, что ей не уделяли должного внимания?

Частично справедливы оба предположения.

Хотя абсолютных теорий не бывает, нынешняя теория цветового зрения оказалась в состоянии объяснить ученым и инженерам практически все интересовавшие их до сих пор факты. Это доказывает, что ее следует считать правильной.

Но в некоторой степени справедливо и второе предположение. Теория взаимодействия света и глаза действительно не находилась в центре внимания физической науки всех этих лет. Главное направление физики шло в области исследования света как такового, атома, его ядра и элементарных частиц. Некоторые выдающиеся естествоиспытатели отдавали свои силы выяснению взаимодействия света и глаза, но в общей совокупности физических исследований их усилия составляли малую долю, хотя решали они задачу, сложность которой люди сумеют оценить лишь в будущем. К этому следует добавить, что эту задачу должны решать не только физики, но и специалисты из многих других областей науки, что до последнего времени тоже усложняло дело.

И, быть может, хорошо, что получилось именно так. Потому что дальнейшие открытия в области воздействия света на глаз и нервную систему человека могут оказаться столь серьезными и важными, что их стоит оставить до лучших времен, когда эти открытия будут использоваться только во благо, а не во вред людям. Следует подчеркнуть, что подобных открытий может и вовсе не случиться, но при современном уровне знаний предположение об их принципиальной возможности не следует считать чистой фантазией. В самое последнее время зародилась новая наука - бионика. Одной из ее задач является изучение органов чувств человека и животных, чтобы понять, как они устроены, и создать по их подобию искусственные органы чувств. У большинства животных зрение является основным чувством, и ему, естественно, уделяется особое внимание. Можно не сомневаться, что эта наука сумеет сделать новые очень интересные и важные открытия.

Трехкомпонентная теория цветного зрения существует без принципиальных изменений так долго потому, что до сих пор она оказалась в состоянии объяснить практически все известные факты, и потому, что великолепно оправдала себя на практике.

Кроме того, до недавней поры не знали о сколько-нибудь серьезных фактах, объяснить которые оказалось бы не под силу этой теории. То есть необходимости в пересмотре ее до последнего времени не возникало. Но в пятидесятые годы были открыты новые факты.

Что же это за факты?

Прежде всего, это - отсутствие твердых доказательств о наличии в глазу трех цветочувствительных приемников, на предположении о существовании которых основывается трехкомпонентная теория. Уже в течение многих лет пытаются отыскать их в глазу. Доподлинно известно, что на цвет реагируют колбочки. Поэтому имелось предположение, что не все колбочки одинаковы, а делятся на три типа: одни чувствительны к красным, другие - к зеленым, третьи - к синим лучам. Но не все ученые так думали, некоторые считали, что все колбочки одинаковы, но в них существуют некие центры или некие химические процессы, по разному реагирующие на разные цвета.

Для проверки подобных предположений ставились и ставятся многочисленные опыты. Их результаты часто бывали очень противоречивыми. И временами казалось, что доказательства о существовании трех видов цветочувствительных приемников уже в руках ученых. Но на поверку все выходило не так просто. И в настоящее время многие исследователи не склонны считать, что существующие гипотезы - по крайней мере, в том виде, как они формулируются теперь, - являются верными. Более того, в результате исследований последних лет возникли серьезные сомнения в самой природе восприятия света с помощью зрительных пигментов (иодопсина, родопсина). Сейчас некоторые ученые высказывают даже предположения о том, что фотохимическая теория зрительных процессов в глазу может оказаться неверной.

Уже много лет ученым известно очень простое устройство или, скорее, забавная игрушка с удивительными свойствами. Устройство это называется диском Бенхема и представляет собой круг, закрашенный до половины в черный цвет; на второй половине круга по белому полю расположены черные парные дуги разных радиусов. Подобный диск помещен в приложении к книге. Вырежьте его, наклейте на кусок картона и сделайте из него волчок.

Раскрутив диск Бенхема, вы увидите неожиданное явление. Черно-белый диск становится вдруг цветным. На его поверхности появляются цвета. Они слабые и ненасыщенные, но все же хорошо заметны. Цвета эти непостоянны. По мере того как обороты диска- падают, они меняются¹.

¹ (Я заметил, что разные люди, глядя на диск одновременно, несколько по-разному видят появляющиеся цвета. Проверьте в кругу своих товарищей, правильно ли это наблюдение. Заметьте так же, как меняется расположение цветов при изменении направления вращения.)

Несколько лет назад английские специалисты в области телевидения, видимо основываясь на этом же явлении, провели очень интересный опыт. Однажды во время передачи английские телезрители увидели на экранах своих приемников торговую рекламу бульонных кубиков. Это было неподвижное изображение с очень простыми формами. На него вряд ли обратили бы внимание, если бы это изображение не оказалось цветным; Цвета были блеклые, но явственно заметные. Это привлекло всеобщее внимание - ведь телевизоры были не цветными, а обычными.

Любая полная научная теория должна объяснять все известные науке факты, относящиеся к какой-либо области. Это справедливо и по отношению к общепринятой теории цветового зрения. Она тоже должна была бы объяснить действие диска Бенхема и опыт английских инженеров. Однако, по крайней мере в настоящее время, она не дает такого объяснения. Можно, конечно, считать явление цветов в диске Бенхема частным, нехарактерным случаем, потому что практически на наш глаз всегда действует постоянный свет, а от этого диска приходит свет пульсирующий. Но такой ответ может удовлетворять науку лишь до определенной поры, пока таких частных случаев мало, пока не появляется хотя бы один существенно важный.

И если бы такой важный факт не стал известен, то подобной неопределенной ссылкой на частный и нехарактерный случай пришлось бы закончить главу о зрении. Но в самом начале 1959 года в науке о цвете, спокойно развивавшейся на основе классической теории в течение многих десятилетий, случилось событие огромной важности.

На одном из заседаний Национальной академии наук США выступил физик Эдвин Лэнд. Тот самый Лэнд, который за десять лет до того изобрел быстрый фотографический процесс, применяемый теперь в некоторых фотографических камерах, и в частности в фотоаппаратах "Момент". В этот раз Лэнд докладывал о некоторых опытах по теории цветового зрения, которые он проводил со своими сотрудниками в течение нескольких лет. Результаты опытов столь интересны, что, по крайней мере, об одном из них стоит подробно рассказать.

Для осуществления опыта была сконструирована специальная сдвоенная фотографическая камера. От обычной она отличается тем, что световой поток, прошедший через объектив, с помощью особого устройства делится на два, из которых каждый падает на отдельную фото-пластинку. Изображения на обеих пластинках получаются абсолютно одинаковыми, так как объектив общий и фотографирование на обе пластинки производится в одно и то же время.

Сдвоенная фотокамера (сверху) и сдвоенный проектор Лэнда. В фотокамере с помощью специальной системы призм, установленных позади общего объектива, создается два одинаковых изображения. Для того чтобы осуществить цветоделение, перед пластинками установлены светофильтры. Изображения проектируются и совмещаются на общем экране. В проекторе имеются два независимых объектива

Но есть и различие. Оно состоит в том, что на пути каждого из световых потоков ставятся разные светофильтры. Один из них пропускает лучи света с длинами волн больше 585 миллимикронов, то есть оранжевые и красные. А другой - только лучи с волнами короче 585 миллимикронов, то есть частично желтые и полностью зеленые, голубые, синие и фиолетовые¹.

¹ (Если вы захотите поэкспериментировать в этой новой и очень интересной области, вы можете воспользоваться обычным фотоаппаратом. Его надо хорошо укрепить и делать снимки с неподвижной натуры, лучше всего - с ярко расцвеченного натюрморта. В этом случае снимки придется делать по очереди: через оранжево-красный светофильтр и через зеленый или голубовато-зеленый. Не забудьте, что при съемке через разные светофильтры выдержки должны быть различными.)

С полученных в этой камере негативов были отпечатаны диапозитивы. Назовем диапозитив, полученный от негатива, снятого в оранжево-красном свете, длинноволновым, а другой - коротковолновым. Представим себе, что натурой для этих фотографий послужил букет красных георгинов в синей вазе. Если внимательно вглядеться в диапозитивы, мы увидим, что формы предметов на них абсолютно одинаковы, но гамма серых цветов различна. На длинноволновом диапозитиве цветы будут совсем светлыми, а листья и ваза темными. Зато на коротковолновом диапозитиве цветы кажутся почти черными, а листья и ваза светлыми. Промежуточные цвета натуры дадут нам на обоих диапозитивах различные серые цвета.

Такие негативы и диапозитивы называются цветоделенными и сами по себе не представляют новинки в практике цветной фотографии и цветной печати. Правда, обычно снимаются три негатива через три светофильтра: красный, зеленый, синий. Не ново и то, что делали Лэнд и его сотрудники дальше. Они вставляли оба диапозитива в сдвоенный проекционный аппарат и точно совмещали оба изображения на белом экране. При этом получалось черно-белое изображение.

Черно-белые фотографии, полученные Лэндом с помощью сдвоенной фотокамеры и светофильтров. Обратите внимание на различия в этих фотографиях

Но не оно интересовало ученых. Они проектировали изображение с полученных диапозитивов в различных цветах: коротковолновый проектировался через тот же самый коротковолновый светофильтр, а длинноволновый - через длинноволновый светофильтр.

Но (это и есть самое главное) ученые задались таким вопросом: что произойдет, если оставить только один из светофильтров?¹

¹ (В некоторых сообщениях об открытии Лэнда говорилось, что впервые он просто-напросто случайно забыл поставить один из светофильтров. В докладе Лэнда не упоминается об этой случайности. И, думается, ее действительно могло и не быть.)

Ответ же оказался поистине поразительным. Когда Лэнд убрал коротковолновый светофильтр (на это понадобились всего секунды!), картина на экране осталась многоцветной! Гамма цветовых тонов была не столь богатой, как в натуре, но глаза отчетливо различали разнообразные цветовые тона и оттенки.

Что же изменилось, когда Лэнд убрал коротковолновый светофильтр?

Только одно - коротковолновый диапозитив стал проектироваться в лучах белого света вместо голубовато-зеленых. Длинноволновый же диапозитив продолжал проектироваться в лучах оранжево-красного света. И таким образом на экран стали падать лучи только белого и оранжево-красного света. Никаких других лучей не было. На экране эти лучи смешивались аддитивно, но важно то, что в каждой точке экрана пропорции смеси белого и оранжево-красного цветов были различными. Они зависели от степени потемнения каждого из диапозитивов в данной точке изображения.

Мы проделывали с вами опыты по аддитивному смешению цветов и, в частности, белого с красным и помним, что при изменении пропорции менялась только чистота, насыщенность красного цвета, но цветовой тон оставался неизменным - красным.

Лэнд прекрасно знал о законах аддитивного смешения цветов. И поэтому трудно вообразить себе состояние ученого, когда на его глазах (именно на глазах) в течение нескольких секунд эти законы, существовавшие незыблемыми в течение очень долгого времени, рухнули!

Что делали Лэнд и его сотрудники, совершив открытие, мы не знаем. Но что пришлось им делать далее, известно - работать и работать. Снова и снова повторять опыты, опровергать самих себя и искать новые подтверждения, новые факты, объясняющие открытие. И в первую очередь следовало проверить, нет ли ошибки в самом опыте. Ведь глаз видел разнообразные цвета там, где по теории должны были существовать только цвета одного тона - оранжево-красного. Это утверждала колориметрия, это же подтверждал многолетний практический опыт. И главное, подтверждали объективные оптические приборы, с помощью которых обследовали изображение на экране. Они показывали, что (как и следовало ожидать) в любой точке экрана существует только смесь белого света с оранжево-красным.

Аддитивное образование цветов. Зеленый с красным дают желтый; красный с синим - пурпурный; синий с зеленым - голубой; зеленый, синий и красный совместно дают белый цвет. Пропуская белый свет через светофильтры, мы получаем цвета. Желтый светофильтр задерживает синие лучи; прошедшие через светофильтр зеленые и красные лучи образуют желтый цвет. Пурпурный светофильтр пропускает синие и красные лучи и задерживает зеленые. Голубой светофильтр задерживает красные лучи и пропускает синие и зеленые

Но человеческий глаз действовал вопреки показаниям приборов, вопреки теории и даже, казалось, самой логике: он видел различные цветовые тона там, где их не должно было быть!

Субтрактивное образование цветов. Вычитая из пурпурных лучей желтые, получаем красный цвет; из желтых голубые - зеленый цвет; из пурпурных голубые - синий цвет. Вычитая из белого света пурпурные, желтые и голубые лучи, получаем черный цвет

Вот что пишет по этому поводу сам Лэнд:

"В чем же состоит ошибка классической теории? Тот факт, что проблемой цветового зрения занималось столь большое число исследователей, исключает возможность ошибки. Ответ заключается в том, что почти все работы по цветному зрению имели очень малое отношение к... цвету в том виде, в каком мы фактически воспринимаем его. В этих работах, по сути дела, изучались цветовые пятна, в частности пары таких пятен, подбиравшиеся до их совпадения по цвету. Заключения, к которым приходили ученые, молчаливо принимались для любых цветовых ощущений. Это утверждение, казавшееся весьма убедительным, прочно вошло в учебники физики. Лишь немногие ученые позволили себе усомниться в нем...¹

¹ (Эти ученые изучали изменение цветов, когда цветовое пятно просматривается на фоне другого цвета.)

Таким образом, цветовое зрение в естественных условиях при наблюдении полных изображений (а не цветовых пятен) оказалось совершенно неисследованной областью!"

Образование цветного изображения по методу Лэнда

Не все ученые согласны с утверждением Лэнда о том, что его открытие не может быть объяснено с помощью классической теории. Некоторое время назад с возражениями Лэнду выступил ряд ученых.

Рисунок планеты Марс. Такой бидят эту планету астрономы через наиболее совершенные телескопы

Пока еще рано судить, кто в конечном итоге окажется правым. Как бы то ни было, все специалисты сходятся на одном: новые факты имеют очень важное значение для науки. Возможно, именно они позволят понять работу не только самого глаза, но, что особенно важно, зрительных центров мозга и их взаимосвязь с остальными частями мозга.