Кристофер смит восприятие света сетчаткой глаза. Цвет и зрение человека

19.07.2019

Физическая сущность света и цвета

Светом или световым излучением называются видимые электромагнитные колебания.

Световые излучения подразделяются на сложные и простые .

Белый солнечный свет - сложное излучение, которое состоит из простых цветных составляющих – монохроматических (одноцветных) излучений. Цвета монохроматических излучений называют спектральными.

Если луч белого цвета разложить с помощью призмы в спектр, то можно увидеть ряд непрерывно изменяющихся цветов: темно-синий, синий, голубой, сине-зеленый, желто-зеленый, желтый, оранжевый, красный.

Цвет излучения определяется длиной волны. Весь видимый спектр излучений расположен в диапазоне длин волн от 380 до 720 нм (1 нм = 10 -9 м, т.е. одной миллиардной доли метра).

Всю видимую часть спектра можно разделить на три зоны

Излучением длиной волны от 380 до 490 нм называется синей зоной спектра;
от 490 до 570 нм - зеленой;
от 580 до 720 нм - красной.

Различные предметы человек видит окрашенными в разные цвета потому, что монохроматические излучения отражаются от них по-разному, в разных соотношениях.

Все цвета делятся на ахроматические и хроматические

Ахроматические (бесцветные) - это серые цвета различной светлоты, белый и черный цвета. Ахроматические цвета характеризуются светлотой.
Все остальные цвета – хроматические (цветные): синий, зеленый, красный, желтый и т.д. Хроматические цвета характеризуются цветовым тоном, светлотой и насыщенностью.

Цветовой тон - это субъективная характеристика цвета, которая зависит не только от спектрального состава излучений, попавших в глаз наблюдателя, но и от психологических особенностей индивидуального восприятия.

Светлота субъективно характеризует яркость цвета.

Яркость определяет силу света, излучаемую или отражаемую с единицы поверхности в перпендикулярном к ней направлении (единица яркости – кандела на метр, кд/м).

Насыщенность субъективно характеризует интенсивность ощущения цветового тона.
Поскольку в возникновении зрительного ощущения цвета участвует не только источник излучения и окрашенный предмет, но и глаз и мозг наблюдателя, то следует рассмотреть некоторые основные сведения о физической сущности процесса цветового зрения.

Восприятие цвета глазом

Известно, что глаз по устройству представляет собой подобие фотоаппарата, в котором сетчатка играет роль светочувствительного слоя. Излучения различного спектрального состава регистрируются нервными клетками сетчатки (рецепторами).

Рецепторы, обеспечивающие цветовое зрение, подразделяются на три типа. Каждый тип рецепторов по-разному поглощает излучение трех основных зон спектра - синей, зеленой и красной, т.е. обладает различной спектральной чувствительностью. Если на сетчатку глаза попадает излучение синей зоны, то оно будет воспринято только одним типом рецепторов, которые и передадут информацию о мощности этого излучения в мозг наблюдателя. В результате возникнет ощущение синего цвета. Аналогично будет протекать процесс и в случае попадания на сетчатку глаза излучений зеленой и красной зон спектра. При одновременном возбуждении рецепторов двух или трех типов будет возникать цветовое ощущение, зависящее от соотношения мощностей излучения различных зон спектра.

При одновременном возбуждении рецепторов, регистрирующих излучения, например, синей и зеленой зон спектра, может возникнуть световое ощущение, от темно-синего до желто-зеленого. Ощущение в большей степени синих оттенков цвета будет возникать в случае большей мощности излучений синей зоны, а зеленых оттенков - в случае большей мощности излучения зеленой зоне спектра. Равные по мощности излучения синей и зеленой зон вызовут ощущение голубого цвета, зеленый и красной зон - ощущение желтого цвета, красной и синей зон - ощущение пурпурного цвета. Голубой, пурпурный и желтый цвета называются в связи с этим двухзональными. Равные по мощности излучения всех трех зон спектра вызывают ощущение серого цвета различной светлоты, который превращается в белый цвет при достаточной мощности излучений.

Аддитивный синтез света

Это процесс получения различных цветов за счет смешивания (сложения) излучений трех основных зон спектра - синего, зеленого и красного.

Эти цвета называются основными или первичными излучениями адаптивного синтеза.

Различные цвета могут быть получены этим способом, например, на белом экране с помощью трех проекторов со светофильтрами синего (Blue), зеленого (Green) и красного (Red) цветов. На участках экрана, освещаемых одновременно из разных проекторов могут быть получены любые цвета. Изменение цвета достигается при этом изменением соотношения мощности основных излучений. Сложение излучений происходит вне глаза наблюдателя. Это одна из разновидностей аддитивного синтеза.

Еще одна разновидность аддитивного синтеза - пространственное смещение. Пространственное смещение основано на том, что глаз не различает отдельно расположенных мелких разноцветных элементов изображения. Таких, например, как растровые точки. Но вместе с тем мелкие элементы изображения перемещаются по сетчатке глаза, поэтому на одни и те же рецепторы последовательно воздействует различное излучение соседних разноокрашенных растровых точек. В связи с тем, что глаз не различает быстрой смены излучений, он воспринимает их как цвет смеси.

Субтрактивный синтез цвета

Это процесс получения цветов за счет поглощения (вычитания) излучений из белого цвета.

В субтрактивном синтезе новый цвет получают с помощью красочных слоев: голубого (Cyan), пурпурного (Magenta) и желтого (Yellow). Это основные или первичные цвета субтрактивного синтеза. Голубая краска поглощает (вычитает из белого) красные излучения, пурпурная - зеленые, а желтая - синие.

Для того, чтобы субтрактивным способом, получить, например, красный цвет нужно на пути белого излучения поместить желтый и пурпурный светофильтры. Они будут поглощать (вычитать) соответственно синие и зеленые излучения. Такой же результат будет получен, если на белую бумагу нанести желтую и пурпурные краски. Тогда до белой бумаги дойдет только красное излучение, которое отражается от нее и попадает в глаз наблюдателя.

Основные цвета аддитивного синтеза - синий, зеленый и красный и
основные цвета субтрактивного синтеза - желтый, пурпурный и голубой образуют пары дополнительных цветов.

Дополнительными называют цвета двух излучений или двух красок, которые в смеси делают ахроматический цвет: Ж + С, П + З, Г + К.

При аддитивном синтезе дополнительные цвета дают серый и белый цвета, так как в сумме представляют излучение всей видимой части спектра, а при субтрактивном синтезе смесь указанных красок дает серый и черный цвета, в виде того, что слои этих красок поглощают излучения всех зон спектра.

Рассмотренные принципы образования цвета лежат и в основе получения цветных изображений в полиграфии. Для получения полиграфических цветных изображений используют так называемые триадные печатные краски: голубую, пурпурную и желтую. Эти краски прозрачны и каждая из них, как уже было указано, вычитает излучение одной из зон спектра.

Однако, из-за неидеальности компонентов субтактивного синтеза при изготовлении печатной продукции используют четвертую дополнительную черную краску.

Из схемы видно, что если наносить на белую бумагу триадные краски в различном сочетании, то можно получить все основные (первичные) цвета как для аддитивного синтеза, так и для субтрактивного. Это обстоятельство доказывает возможность получения цветов необходимых характеристик при изготовлении цветной полиграфической продукции триадными красками.

Изменение характеристик воспроизводимого цвета происходит по-разному, в зависимости от способа печати. В глубокой печати переход от светлых участков изображения к темным осуществляется благодаря изменению толщины красочного слоя, что и позволяет регулировать основные характеристики воспроизводимого цвета. В глубокой печати образование цветов происходит субтрактивно.

В высокой и офсетной печати цвета различных участков изображения передаются растровыми элементами различной площади. Здесь характеристики воспроизводимого цвета регулируются размерами растровых элементов различного цвета. Ранее уже отмечалось, что цвета в этом случае образуются аддитивным синтезом – пространственным смешиванием цветов мелких элементов. Однако, там, где растровые точки различных цветов совпадают друг с другом и краски накладываются одна на другую, новый цвет точек образуется субтрактивным синтезом.

Оценка цвета

Для измерения, передачи и хранения информации о цвете необходима стандартная система измерений. Человеческое зрение может считаться одним из наиболее точных измерительных приборов, но оно не в состоянии ни присваивать цветам определенные числовые значения, ни в точности их запоминать. Большинство людей не осознает, насколько значительно воздействие цвета на их повседневную жизнь. Когда дело доходит до многократного воспроизведения, цвет, кажущийся одному человеку «красным», другим воспринимается как «красновато-оранжевый».

Методы, которыми осуществляется объективная количественная характеристика цвета и цветовых различий, называют колориметрическими методами.

Трехцветная теория зрения позволяет объяснить возникновение ощущений различного цветового тона, светлоты и насыщенности.

Цветовые пространства

Координаты цвета
L (Lightness) - яркость цвета измеряется от 0 до 100%,
a - диапазон цвета по цветовому кругу от зеленого -120 до красного значения +120,
b - диапазон цвета от синего -120 до желтого +120

В 1931 г. Международная комиссия по освещению – CIE (Commission Internationale de L`Eclairage) предложила математически рассчитанное цветовое пространство XYZ, в котором весь видимый человеческим глазом спектр лежал внутри. В качестве базовых была выбрана система реальных цветов (красного, зеленого и синего), а свободный пересчет одних координат в другие позволял проводить различного рода измерения.

Недостатком нового пространства была его неравноконтрастность. Понимая это, ученые проводили дальнейшие исследования, и в 1960 г. Мак-Адам внес некоторые дополнения и изменения в существовавшее цветовое пространство, назвав его UVW (или CIE-60).

Затем в 1964 г. по предложению Г. Вышецкого было введено пространство U*V*W* (CIE-64).
Вопреки ожиданию специалистов предложенная система оказалась недостаточно совершенной. В одних случаях используемые при расчете цветовых координат формулы давали удовлетворительные результаты (в основном при аддитивном синтезе), в других (при субтрактивном синтезе) погрешности оказывались чрезмерными.

Это заставило CIE принять новую равноконтрастную систему. В 1976 г. были устранены все разногласия и на свет появились пространства Luv и Lab, базирующиеся на том же XYZ.

Эти цветовые пространства принимают за основу самостоятельных колориметрических систем CIELuv и CIELab. Считается, что первая система в большей мере отвечает условиям аддитивного синтеза, а вторая - субтрактивного.

В настоящее время цветовое пространство CIELab (CIE-76) служит международным стандартом работы с цветом. Основное преимущество пространства - независимость как от устройств воспроизведения цвета на мониторах, так и от устройств ввода и вывода информации. С помощью стандартов CIE могут быть описаны все цвета, которые воспринимает человеческий глаз.

Количество измеряемого цвета характеризуется тремя числами, показывающими относительные количества смешиваемых излучений. Эти числа называются цветовыми координатами. Все колориметрические методы основаны на трехмерности т.е. на своего рода объемности цвета.

Эти методы дают столь же надежную количественную характеристику цвета, как например измерение температуры или влажности. Отличие состоит лишь в количестве характеризующих значений и их взаимосвязи. Эта взаимосвязь трех основных цветных координат выражается в согласованном изменении при изменении цвета освещения. Поэтому «трехцветные» измерения проводятся в строго определенных условиях при стандартизованном белом освещении.

Таким образом, цвет в колориметрическом понимании однозначно определяется спектральным составом измеряемого излучения, цветовое же ощущение не однозначно определяется спектральным составом излучения, а зависит от условий наблюдения и в частности от цвета освещения.

Физиология рецепторов сетчатки

Восприятие цвета связано с функцией колбочковых клеток сетчатки глаза. Пигменты, содержащиеся в колбочках поглощают часть падающего на них света и отражающее остальную. Если какие-то спектральные компоненты видимого света поглощаются лучше других, то этот предмет мы воспринимаем как окрашенный.

Первичное различение цветов происходит в сетчатке- в палочках и колбочках свет вызывает первичное раздражение, которое превращается в электрические импульсы для окончательного формирования воспринимаемого оттенка в коре головного мозга.

В отличие от палочек, содержащих родопсин, колбочки содержат белок йодопсин. Йодопсин - общее название зрительных пигментов колбочек. Существует три типа йодопсина:

хлоролаб («зелёный», GCP),
эритролаб («красный», RCP) и
цианолаб («синий», BCP).

В настоящее время известно, что светочувствительный пигмент йодопсин находящийся во всех колбочках глаза, включает в себя такие пигменты, как хлоролаб и эритролаб. Оба эти пигмента чувствительны ко всей области видимого спектра, однако первый из них имеет максимум поглощения, соответствующий жёлто-зеленой (максимум поглощения около 540 нм.), а второй жёлто-красной (оранжевой) (максимум поглощения около 570 нм.) частям спектра. Обращает на себя внимание тот факт, что их максимумы поглощения расположены рядом. Это не соответствуют принятым «основным» цветам и не согласуется с основными принципами трёхкомпонентной модели.

Третий, гипотетический пигмент, чувствительный к фиолетово-синей области спектра, заранее получивший название цианолаб, на сегодняшний день так и не найден.

Кроме того, найти какую-либо разницу между колбочками в сетчатке глаза не удалось, не удалось и доказать наличие в каждой колбочке только одного типа пигмента. Более того, было признано, что в колбочке одновременно находятся пигменты хлоролаб и эритролаб.

Неаллельные гены хлоролаба (кодируется генами OPN1MW и OPN1MW2) и эритролаба (кодируется геном OPN1LW) находятся в Х-хромосомах. Эти гены давно хорошо выделены и изучены. Поэтому чаще всего встречаются такие формы дальтонизма, как дейтеронопия (нарушение образования хлоролаба) (6 % мужчин страдают этим заболеванием) и протанопия (нарушение образования эритолаба) (2 % мужчин). При этом некоторые люди, имеющие нарушения восприятия оттенков красного и зелёного, лучше людей с нормальным восприятием цветов воспринимают оттенки других цветов, например, цвета хаки.

Ген цианолаба OPN1SW расположен в седьмой хромосоме, поэтому тританопия (аутосомная форма дальтонизма, при которой нарушено образования цианолаба) - редкое заболевание. Человек, больной тританопией, всё видит в зеленых и красных цветах и не различает предметы в сумерках.

Нелинейная двухкомпонентная теория зрения

По другой модели (нелинейная двухкомпонентная теория зрения С. Ременко), третий «гипотетический» пигмент цианолаб не нужен, приёмником синей части спектра служит палочка. Это объясняется тем, что при яркости освещения достаточной для различения цветов, максимум спектральной чувствительности палочки (благодаря выцветанию содержащегося в ней родопсина) смещается от зелёной области спектра к синей. По этой теории колбочка должна содержать в себе всего два пигмента с рядом расположенными максимами чувствительности: хлоролаб (чувствительный к жёлто-зелёной области спектра) и эритролаб (чувствительный к жёлто-красной части спектра). Эти два пигмента давно найдены и тщательно изучены. При этом колбочка является нелинейным датчиком отношений, выдающем не только информацию о соотношении красного и зелёного цвета, но и выделяющем уровень жёлтого цвета в этой смеси.

Доказательством того, что приёмником синей части спектра в глазу является палочка, может служить и тот факт, что при цветоаномалии третьего типа (тританопия), глаз человека не только не воспринимает синей части спектра, но и не различает предметы в сумерках (куриная слепота), а это указывает именно на отсутствие нормальной работы палочек. Сторонники трёхкомпонентных теорий объяснить, почему всегда, одновременно с прекращением работы синего приёмника, перестают работать и палочки до сих пор не могут.

Кроме того, подтверждением этого механизма является и давно известный Эффект Пуркинье, суть которого заключается в том, что при наступлении сумерек, когда освещённость падает, красные цвета чернеют, а белые кажутся голубоватыми . Ричард Филлипс Фейнман отмечает, что: «это объясняется тем, что палочки видят синий край спектра лучше, чем колбочки, но зато колбочки видят, например, тёмно красный цвет, тогда как палочки его совершенно не могут увидеть».

В ночное время, когда поток фотонов недостаточен для нормальной работы глаза, зрение обеспечивают в основном палочки, поэтому ночью человек не может различать цвета.

На сегодняшний день придти к единому мнению о принципе цветовосприятия глазом пока не удалось.

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение гимназия

Контрольная работа

На тему: «Восприятие цвета»

Харитонов Лев

Введение

Что такое цвет

Восприятие цвета

Спектр. Основные виды цвета

Выводы и заключение

Литература

Введение

Свет дает нам возможность видеть и изучать все окружающее нас на земле, а также многое находящееся вне земли в беспредельном космическом пространстве. Мы ощущаем свет при помощи органа зрения - глаза. При этом мы ощущаем не только свет, но и цвет. Мы не просто видим освещенные или светящиеся окружающие нас предметы, но и можем судить об их окраске. Свойство глаза - не только видеть окружающие нас предметы и явления, но и ощущать их цвет - дает нам возможность наблюдать неисчерпаемые богатства красок природы и воспроизводить цвета, нужные нам в разных областях жизни и деятельности.

Цель нашей работы - изучить, что такое цвет, как он образуется и где применяется.

Для достижения поставленной цели нами поставлены следующие задачи:

По литературным источникам и материалам сети Интернет познакомиться с определением понятия цвет, видами цвета, особенностями восприятия цвета глазом и механизмами получения цветного изображения.

Провести опыты различными методами сложения цветов.

Рассмотреть применение цвета в различных областях нашей жизни

В работе использовались следующие методы исследования:

анализ литературных источников;

эксперимент;

фотографирование и видеозапись.

1. Что такое цвет

Цвет - характеристика видимого света, диапазон электромагнитных волн.

Цвет можно связать со спектральными характеристиками лучей света, имеющих определённую длину волны. Действие света на фоторецепторы глаза, определяет характер ощущения цвета. Свет - это одна из форм энергии. Источники света - различные тела, испускающие световые лучи. Другие тела только отражают свет. Именно благодаря этому мы их видим (в абсолютное темноте тела не отражают свет, и мы ничего не видим).

Свет состоит из лучей разного цвета. Убедиться в этом можно, пропустив солнечный свет через призму. Исаак Ньютон провел опыт по разложению солнечного света (рис.1). Он использовал для разложения света маленький кусочек стекла в форме трехгранной призмы. Когда солнечные лучи проходят сквозь капли дождя, каждая капелька работает как призма и возникает радуга. Цвет предметов зависит от того, лучи какого цвета они поглощают и отражают. Характеристики цвета и его особенности связаны с физическими свойствами объекта, материала, источниками света, и т.д., такими как, например: спектры поглощения, отражения, или эмиссии.

цвет спектральный свет

Рис. 1. Схема разложения пучка белого света в спектр с помощью стеклянной призмы.

Стекло пропускает все видимые лучи. Белый материал отражает все видимые лучи. Черный материал поглощает все лучи. Зеленый лист поглощает красные лучи, отражает зеленые. Красный материал отражает красные лучи, другие поглощает.

Восприятие цвета

Цвет - это одно из свойств объектов материального мира, воспринимаемое как осознанное зрительное ощущение. Тот или иной цвет «присваивается» человеком объектам в процессе их зрительного восприятия.

В подавляющем большинстве случаев цветовое ощущение возникает в результате воздействия на глаз потоков электромагнитного излучения из диапазона длин волн, в котором это излучение воспринимается глазом (видимый диапазон - длины волн от 380 до 760 нм). Иногда цветовое ощущение возникает без воздействия лучистого потока на глаз - при давлении на глазное яблоко, ударе, электрическом раздражении и др., а также по мысленной ассоциации с другие ощущениями - звука, тепла и т.д., и в результате работы воображения. Различные цветовые ощущения вызывают разноокрашенные предметы, их разноосвещённые участки, а также Источники света и создаваемое ими освещение. При этом восприятия цветов могут различаться (даже при одинаковом относительном спектральном составе потоков излучения) в зависимости от того, попадает ли в глаз излучение от источников света или от несамосветящихся объектов. В человеческом языке, однако, используются одни и те же термины для обозначения цвета этих двух разных типов объектов. Основную долю предметов, вызывающих цветовые ощущения, составляют несамосветящиеся тела, которые лишь отражают или пропускают свет, излучаемый источниками. В общем случае цвет предмета обусловлен следующими факторами: его окраской и свойствами его поверхности; оптическими свойствами источников света и среды, через которую свет распространяется; свойствами зрительного анализатора и особенностями ещё недостаточно изученного психофизиологического процесса переработки зрительных впечатлений в мозговых центрах.

В настоящее время восприятие цвета связывают с трёхкомпонентной гипотезой зрения. В её основе лежит предположение о том, что сетчатка (организма, глаза) должна содержать три типа фоторецепторов (названные ячейками колбочками) с различными спектрами поглощения, например, поглощение «красных» лучей света, где, например, колбочки более чувствительные к красным лучам света более активно на них реагируют. Аналогично происходит с взаимодействиями других колбочек, более чувствительных к другим основным цветам (например, к синему, зелёному цвету). Существуют и предположения, что число таких типов фоторецепторов может быть больше чем три. Однако на сегодняшний день подтверждения этим гипотезам нет.

Спектр. Основные виды цвета

Вспомните одно из красивейших явлений природы - радугу. Дождь не совсем прошёл, сквозь облака пробиваются лучи солнца, и на небе появляется огромная многоцветная радуга, цвета которой плавно переходят один в другой.

Глядя на радугу, невозможно указать границы отдельных цветов можно назвать лишь несколько характерных участков, расположенном в следующем порядке сверху вниз: красный, оранжевый, жёлтый, жёлто-зелёный, зелёный, голубой, синий и фиолетовый. В действительности же каждый из указанных цветовых участков радуги в свою очередь состоит из множества цветовых оттенков, плавно переходящих один в другой. Свойства нашего глаза таковы, что в пределах каждого цветового участка мы отличаем друг от друга лишь ограничённое число цветов. Ньютон дал объяснение появления радуги. Лучи солнца преломляются в дождевых каплях, как в призмах, и белый свет раскладывается на составные части. В результате мы видим радугу, состоящую из множества спектральных цветов, переходящих один в другой.

Радуга является спектром солнечного света. Если бы мы через трёхгранную призму пропустили свет обычной электрической лампы накаливания, то убедились бы в том, что спектр лампы накаливания похож на спектр солнечных лучей. Все накаленные тела дают спектр одного и того же вида. Переход от одного цвета в другой происходит непрерывно, поэтому такой спектр называют непрерывным. Весь спектр можно разделить по цветовым оттенкам на две части. В одну часть входит красный, оранжевые, жёлтые и жёлто-зелёные цвета, а в другую - фиолетовые, синие, голубые и зелёные цвета. Цвета первой части спектра связываются с представлением о цвете накаленных тел - огня, поэтому их называют тёплыми цветами. А цвета второй части спектра связываются с цветом воды, льда, металла и называются холодными цветами.

Основные и дополнительные цвета.

Понятие «дополнительный цвет» было введено по аналогии с «основным цветом». Было установлено, что оптическое смешение некоторых пар цветов может давать ощущение белого цвета. Так, к триаде основных цветов Красный - Зелёный - Синий дополнительными являются Голубой - Пурпурный - Жёлтый - цвета. На цветовом круге эти цвета располагают оппозиционно, так что цвета обеих триад чередуются. В полиграфической практике в качестве основных цветов используют разные наборы «основных цветов».

Первичные и вторичные цвета.

Это разделение основано на синтезе идей многих учёных (Ломоносов, Юнг, Гельмгольц, Геринг). К первичным относят «основные цвета», вторичными - именуют все остальные, которые можно получить при смешивании основных.

Хроматические и ахроматические цвета.

Все цвета, встречающиеся в природе разделяются на ахроматические и хроматические. К ахроматическим цветам относятся белый и черный цвета, а также серый цвет, являющийся промежуточным между белым и черным цветами. Все серые цвета могут быть получены смешением черного и белого цветов, взятых в разных пропорциях. Например, если смешать сажу с мелом в разных пропорциях, то получаются, то получаются черные серые цвета различной светлоты. Ахроматические цвета в спектре отсутствуют - они бесцветны. В природе имеется бесчисленное количество цветов. Однако глаз человека способен различать лишь ограниченное их число - около 300 ахроматических цветов от белого до черного.

Хроматическими цветами являются все цвета, имеющие тот или иной цветовой оттенок. К ним, например, относятся все спектральные цвета (зеленый, желтый, красный и т.д.)

Что определяет цвет предметов

Чем же определяется цвет окружающих нас предметов? Какой физический смысл соответствует нашим представлением о том, что трава зелёная, небо голубое, краска красная и т.д.?

Пусть на какое-нибудь просвечивающее тело падает световой поток источника света с непрерывным или линейчатым спектром. Часть этого светового потока отразится от поверхности тела, часть его пройдет через тело, и часть поглотится им. Отношение отраженного и пропущенного телом световых потоков к падающему световому потоку носит название общих, или суммарных, коэффициентов отражения и пропускания и выражаются в процентах. Так, напр., свежевыпавший снег имеет коэффициент отражения 85, белая бумага, 75, черная кожа - 1 - 2%. Это означает, что снег отражает 85, белая бумага 75, а черная кожа - 1 - 2% падающего на них светового потока.

Поверхности, не изменяющие спектрального состава падающего на них света и имеющие коэффициент отражения не менее 85%, называются белыми (снег). Тела или среды, через которые световой поток проходит без изменения его спектрального состава, называются бесцветными. Например, прозрачное оконное стекло.

Поверхность, покрытая красной краской освещенная белым солнечным светом, представляется нам красной. Если мы смотрим через синий светофильтр (синее стекло) на светящуюся нить лампы накаливания, последняя представляется нам синего цвета. Это означает, что поверхность, покрытую краской, мы потому и видим красной, что она хорошо отражает красные, оранжевые и желтые лучи и плохо все остальные. Глядя через синий светофильтр на светящуюся нить лампы накаливания, мы видим последнюю синей потому, что синий светофильтр из всей совокупности лучей лампы накаливания пропускает только синие, фиолетовые и голубые лучи, которые в результате вызывают у нас ощущение синего цвета.

Тела и среды, которые неодинаково отражают или пропускают свет разных длин волн, имеют при освещении белым светом ту или иную окраску, соответствующую их физическим свойствам, и называются цветными.

Таким образом, цвет предметов, окружающих нас, зависит, во-первых, от их способности отражать или пропускать падающий на них световой поток и, во-вторых, от распределения светового потока в спектре освещающего их источника света.

Когда мы говорим, что поверхность имеет зеленый цвет (при освещении белым светом), то это означает, что из всей совокупности лучей, составляющих белый свет, данная поверхность отражает преимущественно зеленые лучи. Отраженные поверхностью лучи воздействуют на наш глаз, и у нас создается ощущение зеленого цвета. Среда (стекло, жидкость), представляющаяся нам окрашенной в зеленый цвет (при освещении белым светом), пропускает из всей совокупности лучей, составляющих белый свет, преимущественно зеленые лучи.

Видимая нами окраска предметов зависит также от яркости цвета.

Проведем опыт. Пусть лист бумаги, выкрашенный в любой цвет, освещается прямым солнечным светом. Заслоним каким-либо белым непрозрачным предметом половину листа бумаги от прямых солнечных лучей. Одна часть листа будет затенена, и яркость ее будет меньше чем второй её части. И хотя обе половины листа бумаги, затененная и незатененная, одинаково отражают свет, т.е. качественно одинаковы, но цвет их различен. Различие состоит в том, что яркости обеих частей бумаги не одинаковы.

Так, розовый цвет при малых яркостях будет нам представляться цветом бордо, желтый - коричневым, а голубой - синим. Яркость цвета - количественный его параметр.

Смешение цветов и цветное изображение

Спектральные цвета являются самыми чистыми цветами, которые нам приходится наблюдать, так как в них отсутствует примесь белого цвета. Однако они не исчерпывают существующего в природе многообразия цветов. Полный набор встречающихся в природе цветов может быть получен при смешении спектральных цветов между собой в различной пропорции, а также смешением спектральных цветов с ахроматическими - белым и черным.

Под смешением цветов понимают явление образования новых цветов путем составления их из двух или нескольких других цветов.

Многочисленными опытами установлено, что некоторые пары хроматических цветов, смешанные в определенной пропорции, образуют ахроматический цвет. Два цвета, образующих при смешении ахроматический цвет, называются взаимодополнительными. В природе существует бесчисленное множество пар дополнительных цветов, в том числе и спектральных. Такими цветами являются, например, красный и голубой, синий и желтый, зеленый и пурпурный. Если один из двух взаимодополнительных цветов относится к теплым, то другой - к холодным цветам. Это совершенно понятно, так как в составе теплых цветов почти отсутствуют синие и голубые, а в холодных - красные и оранжевые излучения. В белом же присутствуют и теплые и холодные цвета.

Аддитивное сложение цветов.

Аддитивное смешение цветов - метод синтеза цвета, основанный на сложении аддитивных цветов, то есть цветов непосредственно излучающих объектов. Метод основан на особенностях строения зрительного анализатора человека, в частности на таком явлении как метамерия.

Смешивая три основных цвета: красный, зелёный и синий - в определенном соотношении, можно воспроизвести большинство воспринимаемых человеком цветов.

Один из примеров использования аддитивного синтеза - компьютерный монитор, цветное изображение на котором основано на цветовом пространстве RGB и получается из красных, зеленых и синих точек.

Рис. 2. Аддитивное (а) и субтрактивное (б) сложение цветов

В противоположность аддитивному смешению цветов существуют схемы субтрактивного синтеза. В этом случае цвет формируется за счет вычитания из отраженного от бумаги (или проходящего через прозрачный носитель) света определенных цветов. Самая распространенная модель субтрактивного синтеза - CMYK, широко применяющаяся в полиграфии.

Субтрактивный способ образования цветов широко применяется в цветном кино и цветной фотографии. Субтрактивное образование цветов имеет место при наложении красок на поверхность бумаги, полотна или других материалов. Краска представляет собой зёрна одного или нескольких различных пигментов, перемешанных между собой и скреплённых каким-либо связующим веществом. Связующее вещество может быть бесцветным и прозрачным или обладать избирательным пропусканием и некоторым рассеянием.

Опыт по аддитивному смешению цветов при отражении света заключается в следующем. Два диска разного цвета, разрезанные по радиусу, вставляются один в другой так, что получается диск, состоящий из двух секторов разных цветов (рис. 3). Надвигая один диск на другой, можно изменять соотношение площадей секторов взятых цветов.

Рис. 3. Диски с раздвигающимися секторами для смешения цветов при вращении

При быстром вращении дисков вокруг их центров с помощью небольшого электрического двигателя мы не различаем раздельно составляющих этот кружок цветных секторов. Цветные секторы быстро следуют один за другим, и создают в глазу ощущение одного смешанного цвета. Изменяя соотношение разноцветных секторов, можно получить всевозможные смеси, промежуточные между взятыми цветами.

Таким образом, смешением основных цветов с помощью небольшого электромотора можно получить множество различных промежуточных оттенков.

Аналогично - путем аддитивного сложения основных цветов (красного, зеленого и синего) получается изображение и на экране монитора компьютера, мобильного телефона и т.п. Мы убедились в этом, изучив изображение на экране мобильного телефона под микроскопом (рис. 4). Как видно на рисунке, оно построено из мельчайших прямоугольников - пикселей, светящихся красным, синим и зеленым цветом.

Рис. 4. Фрагмент изображения на экране мобильного телефона под микроскопом

При наложении же краски на лист белой бумаги цвета получаются иными, так как в этом случае имеет место субтрактивное смешение цветов.

Выводы и заключение

По результатам работы мы можем сделать следующие выводы:

Цвет предметов обусловлен воздействием на наш глаз лучей определенного спектра (зеленого, красного и т.п.), отражаемых предметом.

В результате проделанных опытов мы выяснили, как происходит аддитивное и субтрактивное сложение цветов и каким образом получается цветное изображение на светящемся экране.

В представленной работе рассмотрены далеко не все аспекты такого интересного и многогранного явления в нашей жизни как цвет. Детальным изучением всех характеристик цвета, его значения в природе и практического применения в жизни человека занимается специальная область науки - цветоведение. Значение же данной работы состоит в понимании общей сути цвета и выполнении некоторых опытов по образованию, смешению и разложению цветов. Перспективой работы может стать изучение влияния цвета на психологическое и функциональное состояние организма человека и разработка на этой основе собственного проекта школы, детали которого пока не разглашаются.

Литература

1.Ашкенази Г.И. Цвет в природе и технике - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 96 с., ил.

2.Букварева Е.Н., Чудинова Е.В. Естествознание. 3 класс, 2000.

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

Совершенно исключительное значение в жизни человека имеет орган зрения, позволяющий четко и полно знать обо всех предметах, окружающих организм. Через мы получаем 90 % всей поступающей в мозг информации. Не случайно так огромна роль зрения в нашем труде.

Глаз часто уподобляют фотоаппарату. Действительно, здесь есть немалое внешнее сходство. Глаз также состоит, во-первых, из объектива, т. е. серии преломляющих линз, которые собирают световые лучи в одну точку и позволяют поместить изображение огромных предметов на небольших участках сетчатки. Во-вторых, глаз снабжен собственно светочувствительной - специальными веществами, способными химически изменяться под действием света и тем самым посылать сигналы в мозг. Вещества эти помещаются в особым образом устроенных сетчатки, называемых по их форме палочками и колбочками. Колбочки расположены лишь в центре сетчатки и обусловливают цветное зрение. Световые колебания разной частоты, т. е. разной длины волны, по-разному влияют на вещества колбочек, отчего и происходит восприятие различных цветов. Палочки рассеяны по всей сетчатке и чувствительны только к белому свету, но зато в гораздо большей степени, чем колбочки к отдельным цветам спектра. Поэтому в сумерках, когда восприятие цветов уже отсутствует, мы все еще различаем очертания предметов, но лишь, так сказать, в черно-белом изображении. Все они кажутся одинаково серыми. Веществом, распадающимся в палочках под действием света и тем посылающим сигналы в мозг, является так называемый зрительный пурпур, . Его составной частью природа сделала витамин А. Поэтому-то ночное зрение и страдает без данного витамина. Распадаясь на свету, родопсин в темноте восстанавливается. Чем больше его имеется в восстановленном состоянии, тем глаз чувствительнее к свету. Поэтому, побыв в темноте некоторое время, мы благодаря восстановлению значительной части родопсина начинаем различать предметы, ранее абсолютно неразличимые. Подобное приспособление глаза к условиям освещенности также относится к явлениям адаптации. После часа пребывания в темноте адаптация повышает светочувствительность глаза в 200 тысяч раз. А часто ли мы задумываемся об этом чудесном свойстве своего глаза! Добавим еще, что электрический сигнал, возникающий при распаде родопсина в палочках, соединенные с ними нервные клетки сетчатки усиливают в миллион раз, только тогда получается энергия, способная Дать нервный импульс, который устремляется в мозг.

Если взять кролика и, продержав его 3-4 часа в темноте (чтобы восстановить весь зрительный пурпур), показать ему на миг освещенный предмет, а затем, вновь в темноте, удалить глаз и подействовать на него квасцами, приостанавливающими дальнейший распад родопсина, можно на такой сетчатке увидеть изображение показанного предмета. Там, где подействовал свет и пурпур распался, сетчатка будет бледной, в остальных местах - розовой. Понятно, что если кролик успеет посмотреть на несколько предметов, опыт не удастся.

Вернемся теперь к первому отделу глаза - линзам, собирающим световые лучи в узкий пучок с фокусом на сетчатке. Главной линзой является хрусталик. Когда мы смотрим на далекий предмет, от которого идут почти параллельные лучи, хрусталик становится более плоским. От ближнего предмета идут расходящиеся лучи, которые надо преломить в большей степени, чтобы дать фокус в той же точке. Поэтому при рассматривании близкого предмета хрусталик становится более выпуклым. Эти изменения хрусталика называются аккомодацией. Ими управляют высшие отделы мозга. У некоторых людей хрусталик преломляет слишком сильно и фокус возникает не на сетчатке, а перед ней. Когда дело касается близких предметов, которые и требуют сильного преломления идущих от них лучей, это не мешает зрению. Далекие же предметы кажутся расплывчатыми, ибо их изображение на сетчатке оказывается не в фокусе. Такие люди получили название близоруких. Они уменьшают излишнюю выпуклость своего хрусталика за счет двояковогнутых линз - очков.

Существует и обратное состояние. Дело в том, что с возрастом хрусталик теряет способность аккомодировать, т. е. становится при необходимости более выпуклым. Для близоруких, у которых он и без того является слишком выпуклым, это не имеет значения: они остаются близорукими всю жизнь. При нормальном же зрении с возрастом понижается способность видеть вблизи мелкие предметы. В таких случаях говорят о дальнозоркости и исправляют ее очками с двояковыпуклыми линзами. Понятно, что вдаль эти люди видят не лучше, чем. в молодости, но, во всяком случае, ненамного хуже. Лишь в этом смысле их можно назвать дальнозоркими.

Особенности человеческого зрения

Человек не может видеть в полной темноте. Для того, чтобы человек увидел предмет, необходимо, чтобы свет отразился от предмета и попал на сетчатку глаза. Источники света могут быть естественные (огонь, Солнце) и искусственные (различные лампы).

глаз человека представляет собой радиоприемник, способный принимать электромагнитные волны определенного (оптического) диапазона частот. Первичными источниками этих волн являются тела, их излучающие (солнце, лампы и т.п.), вторичными – тела, отражающие волны первичных источников. Свет от источников попадает в глаз и делает их видимыми человеку. Таким образом, если тело является прозрачным для волн видимого диапазона частот (воздух, вода, стекло и т.п.), то оно не может быть зарегистрировано глазом.

Благодаря зрению мы получаем 90% информации об окружающем мире, поэтому глаз - один из важнейших органов чувств. Глаз можно назвать сложным оптическим прибором. Его основная задача - "передать" правильное изображение зрительному нерву.

Световая чувствительность человеческого глаза

Способность глаза воспринимать свет и распознавать различной степени его яркости называется светоощущением, а способность приспосабливаться к разной яркости освещения - адаптацией глаза; световая чувствительность оценивается величиной порога светового раздражителя. Человек с хорошим зрением способен разглядеть ночью свет от свечи на расстоянии нескольких километров. Максимальная световая чувствительность достигается после достаточно длительной темновой адаптации.

В глазу человека содержатся два типа светочувствительных клеток (рецепторов): высоко чувствительные палочки, отвечающие за сумеречное (ночное) зрение, и менее чувствительные колбочки, отвечающие за цветное зрение.

В сетчатке глаза человека есть три вида колбочек, максимумы чувствительности которых приходятся на красный, зелёный и синий участки спектра. Распределение типов колбочек в сетчатке неравномерно: «синие» колбочки находятся ближе к периферии, в то время как «красные» и «зеленые» распределены случайным образом. Соответствие типов колбочек трём «основным» цветам обеспечивает распознавание тысяч цветов и оттенков. Кривые спектральной чувствительности трёх видов колбочек частично перекрываются, что способствует явлению метамерии. Очень сильный свет возбуждает все 3 типа рецепторов, и потому воспринимается, как излучение слепяще-белого цвета.

Равномерное раздражение всех трёх элементов, соответствующее средневзвешенному дневному свету, также вызывает ощущение белого цвета. За цветовое зрение человека отвечают гены, кодирующие светочувствительные белки опсины. По мнению сторонников трёхкомпонентной теории, наличие трёх разных белков, реагирующих на разные длины волн, является достаточным для цветового восприятия. У большинства млекопитающих таких генов только два, поэтому они имеют черно-белое зрение.

Человек видит не глазами, а посредством глаз, откуда информация передается через зрительный нерв, хиазму, зрительные тракты в определенные области затылочных долей коры головного мозга, где формируется та картина внешнего мира, которую мы видим. Все эти органы и составляют наш зрительный анализатор или зрительную систему.[

Изменение зрения с возрастом

У новорожденных и детей дошкольного возраста хрусталик более выпуклый и более эластичный, чем у взрослого, его преломляющая способность выше. Это позволяет ребенку четко видеть предмет на меньшем расстоянии от глаза, чем взрослому. И если у младенца он прозрачный и бесцветный, то у взрослого человека хрусталик имеет легкий желтоватый оттенок, интенсивность которого с возрастом может усиливаться. Это не отражается на остроте зрения, но может повлиять на восприятие синего и фиолетового цветов. Сенсорные и моторные функции зрения развиваются одновременно. В первые дни после рождения движения глаз несинхронны, при неподвижности одного глаза можно наблюдать движение другого. Способность фиксировать взглядом предмет формируется в возрасте от 5 дней до 3–5 месяцев. Реакция на форму предмета отмечается уже у 5-месячного ребенка. У дошкольников первую реакцию вызывает форма предмета, затем его размеры и уже в последнюю очередь – цвет. Острота зрения с возрастом повышается, улучшается и стереоскопическое зрение. Стереоскопическое зрение (от греч. στερεός - твёрдый, пространственный) - вид зрения, при котором возможно восприятие формы, размеров и расстояния до предмета, например благодаря бинокулярному зрению Стереоскопическое зрение к 17–22 годам достигает своего оптимального уровня, причем с 6 лет у девочек острота стереоскопического зрения выше, чем у мальчиков. Поле зрения интенсивно увеличивается. К 7 годам его размер составляет приблизительно 80 % от размера поля зрения взрослого. После 40 лет наблюдается падение уровня периферического зрения, то есть происходит сужение поля зрения и ухудшение бокового обзора. Примерно после 50 лет сокращается выработка слезной жидкости, поэтому глаза увлажняются хуже, чем в более молодом возрасте. Чрезмерная сухость может выражаться в покраснении глаз, рези, слезотечении под действием ветра или яркого света. Это может не зависеть от обычных факторов (частые напряжения глаз или загрязненность воздуха). С возрастом человеческий глаз начинает воспринимать окружающее более тускло, с понижением контрастности и яркости. Также может ухудшиться способность распознавать цветовые оттенки, особенно близкие в цветовой гамме. Это напрямую связано с сокращением количества клеток сетчатой оболочки, воспринимающих оттенки цвета, контрастность, яркость. Некоторые возрастные нарушения зрения обусловлены пресбиопией, которая проявляется нечеткостью, размытостью картинки при попытке рассмотреть предметы, расположенные близко от глаз. Возможность фокусировки зрения на небольших предметах требует аккомодацию около 20 диоптрий (фокусировка на объекте в 50 мм от наблюдателя) у детей, до 10 диоптрий в возрасте 25 лет (100 мм) и уровни от 0,5 до 1 диоптрии в возрасте 60 лет (возможность фокусировки на предмете в 1-2 метрах). Считается, что это связано с ослаблением мышц, которые регулируют зрачок, при этом так же ухудшается реакция зрачков на попадающий в глаз световой поток. Поэтому возникают трудности с чтением при тусклом свете и увеличивается время адаптации при перепадах освещенности.

Так же с возрастом начинает быстрее возникать зрительное утомление и даже головные боли.

Психология восприятия цвета

Психология восприятия цвета - способность человека воспринимать, идентифицировать и называть цвета. Ощущение цвета зависит от комплекса физиологических, психологических и культурно-социальных факторов. Первоначально исследования восприятия цвета проводились в рамках цветоведения; позже к проблеме подключились этнографы, социологи и психологи. Зрительные рецепторы по праву считаются «частью мозга, вынесенной на поверхность тела». Неосознаваемая обработка и коррекция зрительного восприятия обеспечивает «правильность» зрения, и она же является причиной «ошибок» при оценке цвета в определенных условиях. Так, устранение «фоновой» засветки глаза (например, при разглядывании удаленных предметов через узкую трубку) существенно меняет восприятие цвета этих предметов. В силу природы глаза, свет, вызывающий ощущение одного и того же цвета (например белого), то есть одну и ту же степень возбуждения трёх зрительных рецепторов, может иметь разный спектральный состав. Человек в большинстве случаев не замечает данного эффекта, как бы «домысливая» цвет. Это происходит потому, что хотя цветовая температура разного освещения может совпадать, спектры отражённого одним и тем же пигментом естественного и искусственного света могут существенно отличаться и вызывать разное цветовое ощущение.

Периферическое зрение (поле зрения ) - определяют границы поля зрения при проекции их на сферическую поверхность (при помощи периметра).

В процессе зрения происходит восприятие параметров потока света. В светочувствительном рецепторе сходятся процессы из разных сфер действительности – взаимодействуют квантовые объекты (фотоны), рецепторы, как измерительные приборы, оценивающие параметры квантовых объектов, и нейроны, относящиеся к элементам, осуществляющим процессы высшей нервной деятельности.

Эта проблема интересна еще и тем, что эта сфера знания недостаточно изучена, причем от нее отказываются как физики, так и биологи. Кроме того, проблема восприятия света входит в состав проблем восприятия информации человеком, рассмотренных в статье «Восприятие информации» как часть решения психофизической проблемы -

Непосредственно сопряжение электромагнитного излучения и вещества осуществляется в зрительных рецепторах сетчатки глаза живого организма, здесь свет преобразуется в нервные сигналы в виде пачек электрических импульсов, из которых уже в мозгу создается образ видимых предметов. Светочувствительные рецепторы выступают в качестве границы, разделяющей (и соединяющей) квантовые и нервные процессы, на которой сопрягаются разные сферы реальности - излучение, вещество и нервная деятельность.

Исследования показывают, что энергия воздействующего на рецептор фотона воспринимается конкретным электроном фоточувствительного белка. Этот электрон не просто находится в составе конкретного белка, но и белок, в свою очередь, вмонтирован в тело определенного светочувствительного рецептора, а рецептор имеет вполне определенное местоположение на сетчатке глаза и связан с конкретными нейронами. На сетчатке глаза имеется специальное место, которое принимается за центр общей системы отсчета всех рецепторов.

Рецепторы имеют строение в виде столбика из пластин (порядка 2000 шт.), на каждой пластине располагаются порядка 60 тыс. светочувствительных белков. Рецепторы располагаются на сетчатке сплошным массивом, закрывают все поле сетчатки. Различают цветоразличающие рецепторы – колбочки, и черно-белые рецепторы – палочки. Количество цветных колбочек оценивается в 6 – 10 млн., колбочки располагаются преимущественно вокруг центра зрения. Палочек насчитывается порядка 100 млн. Они располагаются по всему полю сетчатки.

Зрительная система воспринимает свет в диапазоне 400 - 780 нм, ультрафиолетовое излучение (волны меньшие 360) поглощает хрусталик, большие не воспринимаются рецепторами, к тому же инфракрасные волны (1000 нм и больше) излучаются самим телом и являлись бы засветкой зрительной системы.

Для зрительной информации естественно важен спектр излучения, однако светочувствительный рецептор не просто принимает излучение, но и определяет различия между локальными характеристиками потока света. Существуют специальные горизонтальные клетки в рецепторе и между рецепторами, определяющие градиент потока света по интенсивности, длине волны и насыщенности доминантного цвета - соответственно информация передается не только о цвете, но и о яркости и насыщенности цвета на фоне белого. Необходимо также отметить, что рецептор не только воспринимает характеристики потока света и передает их в мозг, но и управляет общей и раздельно локальной прозрачностью вещества до рецептора, чтобы можно было видеть различия в потоке света даже при различной его интенсивности и контрастности.

Вследствие поглощения фотонов в рецепторе происходят электрохимические процессы, вызывающие срабатывание последующих нейронов. В целях рецепции, фотон может быть воспринят только в том случае, если воспринявший его светочувствительный белок встроен в измерительную цепь рецептора. Если белок, воспринявший фотон находится вне измерительной схемы рецептора, то поглощение фотона произойдет, но не вызовет необходимых для рецепции химических воздействий и такое поглощение окажется бесполезным, поскольку информация о таком фотоне не дойдет до следующих нейронов. Из этого можно сделать вывод, что поглощение фотонов в рамках процедур, происходящих в сенсорных системах, носит не случайный характер.

В соответствии с трехкомпонентной теорией строения цветочувствидельных рецепторов (колбочек) считается, что светочувствительная колбочка реагирует только на фотоны определенной длины волны. Однако данная теория вызывает сомнения в достоверности. Электрон в белке (или сам белок) должен сначала как-то определиться с тем - реагировать ему, если у фотона соответствующая длина волны, и не реагировать, если длина волны чуть больше (или меньше). Он же не знает длину волны, которая попадет в этот белок, не знает, на сколько длина волны отличается от той, которую он может принять. Причем неважно, на сколько отличается от "своей". В любом случае электрон (или кто-то из участников поглощения) каким-то образом должен "почувствовать", поглощать или пропустить фотон. Офтальмологи на эти вопросы не смогли ответить мне. А физики вообще отказались рассматривать проблему восприятия света глазом, под предлогом, что в этой ситуации им невозможно осуществить какие-либо измерения, а без достоверных измерений они не вправе что-либо утверждать и делать какие-либо умозаключения.

Ситуация еще больше запуталась от мысли, что цветное зрение способно воспринимать цвет (длину волны фотона) и одновременно определять его местоположение на сетчатке. Как вообще возможно определение длины волны фотона, если локализация электрона, который реагирует на фотон, составляет единицы Ангстрем (0,1 нм), а длина волны фотона примерно в пять тысяч раз больше (от 400 до 770 нм)? Ведь поглощаемая энергия фотона должна быть размазана случайным образом по несоизмеримо большему пространству, чем локализация электрона.

Возникают и другие вопросы. Какова природа энергии фотона (кинетическая, электрическая, магнитная, еще какая-то)? Что происходит с энергией фотона при поглощении его электроном? Какие происходят преобразования энергии?

Желание получить ответы на возникающие вопросы заставляет углубляться в подробности процесса поглощения света веществом. Физика утверждает, что для возбуждения электрона необходимо затратить не какую-то там энергию, а вполне конкретную величину - разницу между двумя энергетическими состояниями, что вполне определенно подтверждается в физических экспериментах. Поглощение происходит в виде определенной полосы поглощения в электронном спектре молекулы. Однако это всего лишь констатация факта поглощения конкретной порции энергии, эмпирическое его подтверждение, но еще не объяснение механизма поглощения.

Чтобы обострить проблему и показать ее физическую, а не физиологическую природу отметим, что именно из факта поглощения конкретным электроном конкретного фотона следует, что в процессе зрительной рецепции возможно одновременное и достаточно точное измерение энергии (импульса) фотона и местоположения этого фотона. Местоположение квантового объекта соответствует местоположению (месту локализации) электрона, поглотившего фотон, и это местоположение вполне определяемо на макроуровне, так как от него идет "ниточка" к приемнику сигнала, а энергия фотона соответствует разнице между энергиями состояний электрона - тоже вполне определима. Если энергия фотона соответствует разнице энергий, необходимых для изменения местоположения электрона, то поглощение происходит. Если не соответствует, то фотон проходит сквозь данную молекулу. Теперь посмотрим, что из этого получается.

Для фотона имеется уравнение

λ·P=ħ, где λ – длина волны, P – импульс фотона, а ħ – постоянная Планка. Это уравнение фотона очень похоже на соотношение неопределенности Гейзенберга:

ΔХ · ΔР >= ħ, где ΔХ - ошибка в определении местоположения квантового объекта, ΔР - ошибка в определении его импульса.

Есть возможность оценить ошибку измерения параметров фотона при его поглощении конкретным электроном конкретного светочувствительного белка сетчатки. Величину возникающей ошибки в измерении импульса можно установить по разрешительной способности зрительной системы в определении цвета. Экспериментально установлено, что чувствительность оценивается в 2 – 3 нм. Это составляет менее 1 % от длины волны света в видимом диапазоне - (0,3 – 0,5) %. По уравнению фотона λ·P=ħ определяем разницу в изменении импульса, фиксируемого зрительной системой: ΔР = ħ/λ – ħ/1,01·λ, что примерно = 0,01· ħ/λ

ΔР = 0,01· ħ/λ

Ошибку в измерении местоположения фотона (ΔХ) можно оценить, как размер области локализации самого электрона в молекуле белка. Если размер атома оценить примерно в 0,1 нм, то ошибку локализации электрона (с большим завышением) можно принять 0,5 нм. Эту величину целесообразно выразить в условных единицах, как долю от длины волны фотона (500 нм). В итоге получаем, что ошибка измерения местоположения фотона примерно (0,5/500) λ = 0,001· λ.

ΔХ = 0,001· λ

Подставляя относительные ошибки определения местоположения и импульса фотона в соотношение неопределенности, получаем:

ΔХ · ΔР = 0,001· λ · 0,01· ħ/λ = 0,00001· ħ.

В соответствии с произведенными оценками произведение ошибок измерения координат и импульса рецептором глаза оказывается в сто тысяч раз меньше, чем постоянная Планка. Причем следует учесть, что обе ошибки взяты с некоторым завышением, если взять реальные ошибки в определении ΔХ и ΔР, то их произведение будет примерно в миллион раз меньше постоянной Планка. А по соотношению неопределенностей Гейзенберга произведение этих ошибок не может быть меньше ħ. Что это: ошибка в приведенных рассуждениях или действительно с соотношением неопределенностей какая-то неувязка?

Попробуем разобраться.

Количественные значения ошибок измерения в приведенных рассуждениях можно считать соответствующими реальным, или завышенными, поэтому величина в 0,00001 - это еще заниженная степень нарушения соотношения неопределенности Гейзенберга. С другой стороны размер неувязки столь велик, что ошибки можно еще многократно завысить без ущерба для общего вывода о справедливости соотношения неопределенностей. Из чего можно сделать вывод, что если и есть ошибка в приведенных рассуждениях, то она не в количественных значениях, а в чем-то другом.

Может быть, одна из процедур (либо соотношение неопределенностей, либо рецепция света в зрительной системе) не относится к процедуре измерения? Ведь соотношение неопределенностей характеризует именно возможные ошибки измерения параметров квантового объекта.

Поскольку каждый фотон является квантовым объектом, то из этого следует, что каждый фотон поглощается индивидуально, хоть в зрительной системе, хоть в другом месте. Оценка характеристик фотона в рамках зрительной рецепции осуществляется самим актом его поглощения хромофором, а не различением характеристик фотонов нервными клетками. Если он поглотился, то уже самим фактом поглощения его энергия перешла конкретному электрону. А это значит, что в результате акта поглощения становятся известными и местоположение фотона (по исходному местоположению электрона), и энергия фотона (по величине изменения энергии электрона). И то, и другое о фотоне становится не просто "известным" конкретному электрону и белку, в котором он находится, но и известными измерительной схеме в целом. Физические и химические изменения в характеристиках электрона и белка, порождаемые поглощением, становятся известными определенному нейрону, который можно уже считать макро «наблюдателем». С другой стороны, место на сетчатке, в которое попал фотон, детерминируется пространственным местоположением предмета, который излучил этот фотон, и настройкой оптической части зрительной системы – линзой хрусталика и фокусировкой получаемого изображения.

Если же поглощения фотона не произошло, то, увы, не произошло и измерения параметров квантового объекта. Поглощение такого фотона произойдет пигментом задней стенки сетчатки, то есть вне измерительной схемы. В этом и заключается специфика электрона (хромофора, белка, рецептора в целом): они размещены в составе измерительной системы местоположения предмета, позволяющей не просто поглощать, а поглощать в рамках измерительной процедуры.

Из этого следует, что анализируемая процедура поглощения фотона в зрительной системе рассматривается именно в рамках процедуры измерения параметров фотона, а не просто его поглощения. Из этого следует, что предназначение рассматриваемой процедуры соответствует заявленному назначению и «области действия» соотношения неопределенностей.

Может быть, в процедуре измерения параметров фотонов в зрительной системе имеется какая-то уникальная специфика, порождающая столь существенное отклонение от соотношения неопределенностей?

Действительно, такие отличия имеются.

Во-первых, соотношение неопределенностей рассматривается применительно к процедуре измерения параметров квантового объекта, осуществляемой с сохранением самого квантового объекта. Например, Луи де Бройль в книге «Революция в физике» отмечает, что сама процедура измерения не должна вносить изменения в сами измеряемые параметры - вносимые измерительным прибором изменения в измеряемые параметры должны быть как можно меньше.

Суть идеи соотношения неопределенностей заключается в том, что для более точного измерения нужны фотоны с меньшей собственной локализацией, но такие фотоны являются и более энергичными. Специфика квантового объекта такова, что измерение местоположения квантового объекта с большей точностью требует применения, как указывает де Бройль, воздействия на измеряемый объект более коротких фотонов, но чем меньше длина волны фотонов, измеряющих местоположение квантового объекта, тем больше их энергия, тем большее изменение энергии происходит в измеряемом объекте. Сама процедура измерения вносит изменения в измеряемые параметры, поэтому и считается, что этого эффекта принципиально невозможно избежать. Ошибки одновременного измерения пространственных и энергетических характеристик квантового объекта подчинены рассматриваемому соотношению неопределенностей.

Итак, отличия измерений в рамках процедуры рецепции и рамках объяснения соотношения неопределенностей – имеются.

Во-первых, в отличие от измерительных процедур, описанных у де Бройля, в измерительной процедуре, осуществляемой в рамках зрительной рецепции, сам объект, параметры которого измеряются, не сохраняется , а погибает полностью в процессе измерительной процедуры. А если не погибает, то и не попадает в измерительную процедуру. В зрительной системе оцениваемый квантовый объект просто поглощается, проглатывается светочувствительным белком, в результате чего обе измеряемые величины (координата и импульс) становятся известными этому белку. Он «измеряет» указанные параметры с точностями, на несколько порядков не вписывающиеся в соотношение неопределенности. Правда, ценой уничтожения измеряемого объекта. Этот белок и есть тот измерительный прибор, который якобы невозможно построить в принципе.

Во-вторых, в процессе зрительной рецепции измерения местоположения фотона вообще-то не осуществляется. Местоположением фотона считается местоположение электрона, поглощающего фотон. Местоположение электрона является не измеряемым параметром, а априорно известным измерительной системе. Фотон «сам» натыкается на тот или иной светочувствительный белок, имеющий этот самый электрон. Но данное обстоятельство не меняет существа принципа неопределенности. В соответствии с этим принципом «невозможно построить измерительный прибор, который позволил бы нарушить ограничения, накладываемые неравенствами Гейзенберга». Невозможно построить в принципе .

В сущности, зрительная система просто обходит установленный запрет. В зрительной системе установлено огромное множество измерительных приборов. Куда бы ни попал фотон, он наткнется на «измерительный прибор», каковым является молекула светочувствительного белка. А от нее обязательно тянется ниточка к макро измерительному прибору – рецептору и далее к нейрону. Преобразование микро сигнала от квантового объекта в макро сигнал это уже другая проблема, которую целесообразно рассматривать отдельно. В данном аспекте следует сделать акцент на понимании светочувствительного белка в качестве измерительного прибора для оценки пространственных и энергетических параметров фотона, специфического измерительного прибора, который позволяет нарушить ограничения, накладываемые неравенствами Гейзенберга.

В-третьих, нужно разобраться с пониманием величин, входящих в соотношение неопределенностей. Вообще, имеет смысл задаться вопросом - в соотношении неопределенности, дельта икс, это что? Может быть, это вообще не ошибка измерения? Общность математической структуры уравнения фотона с соотношением неопределенности подсказывает, что дельта икс это вовсе не ошибка в измерении координаты местоположения частицы, а длина волны, так что это вовсе не ошибка измерения, размер частицы. Длина волны фотона жестко связана с импульсом фотона соответствующим уравнением. Поэтому само соотношение и включенные в него переменные в таком понимании приобретают иной смысл.

Это не мы не можем одновременно измерить пространственную и энергетическую характеристики фотона, а фотон не может иметь иных величин импульса и длины волны, кроме как соответствующих уравнению фотона (и совпадающему с ним по структуре соотношению неопределенности). У уравнения фотона и соотношения неопределенностей общая математическая структура. Соотношение неопределенностей применительно к фотону приобретает форму зависимости между длиной волны и импульсом. Правда при таком понимании неопределенность превращается в определенность . А ПНГ перестает иметь исключительное отношение к измерению параметров квантового объекта и начинает описывать соотношение не между ошибками измерения, а между собственными параметрами квантового объекта. Для фотона, как самого простого из квантовых объектов, связь между длиной волны и импульсом - естественным образом совпадает с соотношением "неопределенностей". При этом измерительный аспект (измерение координаты и импульса фотона) вовсе не исключается, а приобретает вполне здравый смысл: как же можно измерить местоположение квантового объекта точнее, чем его размер? Объект есть везде в пределах своего размера.

При этом размер квантового объекта, в данном случае фотона, жестко связан с энергетической характеристикой фотона. Чем энергичнее происходят электромагнитные колебания (чем больше частота) тем меньше длина волны и размер фотона, тем меньше общая локализация фотона.

В результате подобного изменения интерпретации математическая составляющая соотношения полностью сохраняется. И это объясняет, почему соотношение так прекрасно подтверждается в экспериментах, на которые все ссылаются. Участвующие в соотношении величины имеют отношение не к процедуре измерения, а к собственным характеристикам самой частицы, в данном случае - фотона. И соотношение между собственными пространственными и энергетическими характеристиками имеет жесткую связь, описываемую этим соотношением.

В-четвертых, при обосновании необходимости введения принципа неопределенности специально указывается, что его введение есть следствие вероятностной интерпретации частиц. В частности де Бройль указывает: «Еще раз подчеркнем, что соотношение неопределенности – неизбежное следствие, с одной стороны, возможности сопоставить частице некоторую волну, с другой – общих принципов вероятностной интерпретации». Возникает закономерный вопрос: а является ли фотон, параметры которого оцениваются рецепторами зрительной системы, частицей с вероятностной природой?

Привлечение в рассматриваемое соотношение параметра «размер» частицы, оказывается, в рамках квантовой механики с вероятностной интерпретации частиц - вообще не имеет смысла. В существующей квантовой механике просто нет такого понятия и параметра, как "размер" частицы, и нет именно по причине вероятностной интерпретации самой частицы. У нее не может быть размера, поскольку при вероятностной интерпретации у частицы нет, и не может быть границ, они просто размыты. Но это только при вероятностной интерпретации. Для реального фотона "размером" частицы является длина волны. Один период электромагнитных колебаний, собственно, и есть фотон, квант света.

Таким пониманием, кстати, легко объясняется корпускулярно волновой дуализм. Внутри частицы - волна, а один период колебания - частица. Волновые свойства частицы это ее внутренние свойства, а при рассмотрении той же частицы снаружи – это корпускула, квант, частица, нечто дискретное.

Естественно, такое понимание не соответствует пониманию, принятому в квантовой механике. Когда создавалась квантовая механика, для квантовых объектов было принято матричное описание частиц. Под частицей, как правило, рассматривался электрон, и для него вывели все квантовые закономерности. Затем уже эти закономерности начали переносить и на электромагнитное излучение. В качестве фотона также стали понимать волновой пакет. Даже если волна монохроматическая, в реальных условиях она распадается на множество гармоник. Совокупность всех колебаний, связанных с основной монохроматической волной стали называть волновым пакетом, а пакет - фотоном. Для волнового пакета естественным образом подошло принятое для частиц вероятностное описание.

Однако, «что» в реальности поглощается зрительной системой человека, «какой» фотон поглощается рецептором - волновой пакет из совокупности гармоник, или один период монохроматического электромагнитного колебания?

Что является «зеленым», «красным» и т.д.?

Параметры «какого» объекта оценивает рецептор?

По моим представлениям – конечно же фотон как период электромагнитного колебания. Всякие там разбегания волнового пакета возможно и существуют, но они лишь мешает измерению и поэтому игнорируется или сглаживается измерительной системой, а оценивается основной параметр главной гармоники. Причем достаточно оценить лишь один параметр: либо импульс, либо длину волны, чтобы знать и то и другое. В силу наличия жесткой связи между длиной волны и импульсом – это же два взаимодополняющих параметра частицы по соотношению определенностей.