• Читателям
  • Авторам
  • Партнерам
  • Студентам
  • Библиотекам
  • Рекламодателям
  • Контакты
  • Язык: English version
373
Рубрика: Факультет
Раздел: Физика
Оптика от Леонардо

Оптика от Леонардо

«Глаз является родоначальником астрономии… именно он дает советы всем человеческим искусствам… он – государь математических наук, его науки – достовернейшие. Он измерил высоту и величину светил… породил архитектуру, перспективу и божественную живопись. О превосходнейшее из всех творений Бога! …Глаз - окно тела человека, через которое он глядит на свой путь и наслаждается красотой мира, без него эта человеческая темница - пытка.... Он превзошел Природу, ибо простые природные возможности ограничены, а труды, которые глаз предписывает рукам, – бесчисленны.»

Восторженными словами выражает свое отношение Леонардо да Винчи к глазу – главному инструменту художника и ученого. Три особенности «окна души» и связанные с ними проблемы представляли для него наибольший интерес: анатомия глаза и механизм зрения; природные оптические эффекты и еще одна, более специальная проблема - как наилучшим образом выразить все разнообразие наблюдаемой природы на плоской картине.

Сегодня мы представляем краткий обзор работ Леонардо в разных разделах оптики – «достовернейшей» науки об эффектах в природе, воспринимаемых благодаря глазу. Несомненно, будет интересно и поучительно для читателей проследить путь, которым шел от постановки проблемы к фундаментальному выводу этот величайший гений в истории человечества.

О механизмах видения

В полушаге от открытия

Пытаясь понять механизм зрения, Леонардо отверг восходящее к Платону представление о том, что из глаз исходят лучи, «ощупывающие» изучаемый объект. Его аргумент против был по-своему прост и убедителен: если посмотреть ночью на звездное небо, то сразу станет ясно, что лучи из глаза не могут охватить все это множество звезд.

Но дальнейший ход исследования оказался тяжек и долог. Как и всегда, Леонардо начал работу с изучения строения изучаемого объекта: «Напиши в своей «Анатомии», в каком отношении стоят друг к другу все сферы глаза и на каком расстоянии от них находится сфера хрусталика». Поскольку при надрезании оболочки глаза его содержимое вытекает, Леонардо использовал оригинальный метод, чтобы обойти это препятствие: «При анатомировании глаза, для того чтобы хорошо разглядеть что внутри, не проливая его влаги, надобно положить глаз в яичный белок, прокипятить и укрепить, разрезая яйцо и глаз поперек, дабы из средней части ничего не вылилось».

К сожалению, в данном случае изобретательность подвела автора. Различие в структуре частей глаза приводит к тому, что хрусталик, представляющий в живом глазе двояковыпуклую линзу, при нагревании превращается практически в шар. Более того, он отходит от роговой оболочки и смещается к центру глаза. Поэтому согласно схеме хода лучей в глазу, предложенной Леонардо, в нем формируется прямое изображение, а не перевернутое, как должно быть в собирающей линзе.

Для проверки своей схемы построения изображения в глазу он предполагал также изготовить большую стеклянную модель глаза с полостью для головы наблюдателя. Кроме того, для этих целей он придумал оригинальный опыт с иголкой, расположенной между глазом и экраном с отверстием.

Рекомендую повторить этот простой и красивый эксперимент, но не с острой иглой, а с портновской булавкой с ушком. Что при этом реально произойдет? Свет, проходящий через малое отверстие в экране, создаст в глазу тень булавки (не просто некий «образ»!), что легко проверить, приклеив на отверстие в булавке кусочек кальки, наполовину закрашенной чернилами. Тень можно получить и на листе бумаги, если установить его на место глаза, и тень при этом будет не перевернутая! Какой же вывод следует из этого эксперимента? Свет, идущий из отверстия, создает на задней поверхности глаза тень, притом прямую, но «чувствилище» (на современном языке — зрительный аппарат мозга) по привычке переворачивает это изображение!

Предложив схему опыта с объектом, перемещающимся перед малым отверстием в экране, установленном перед глазом, Леонардо да Винчи по сути был всего лишь в полушаге от открытия механизма видения. Но, к сожалению, он не смог правильно объяснить свои наблюдения, и открытие было сделано одним из творцов небесной механики И. Кеплером в начале XVII в.

Тайна Джоконды: 2 в 1

По-видимому, именно Леонардо впервые обратил внимание на эффект, связанный с восприятием быстротекущих изменений в объекте, — сохранение изображения в течение некоторого времени:

«Сияние света или другого светящегося тела остается в глазу в течение некоторого времени после того, как ты на него смотрел; движение маленькой головешки, быстро вращаемой по кругу, кажется непрерывным и однородным огнем, а движение капель дождя воспринимается как непрерывные нити, ниспадающие из туч».

Леонардо эмпирическим путем установил, как правильно применять собирающие и рассеивающие линзы для коррекции зрения.

Он изготавливал линзы как сплошные, так и из двух тонких стекол с водой между ними, при этом подбор очков осуществлялся не по фокусному расстоянию, а в соответствии с возрастом человека
Сущность этого феномена, заключающегося в изменениях в активном элементе фоторецепторов под воздействием света, была выяснена сравнительно недавно. Эффект задержки зрительного восприятия лежит в основе столь привычных для нас кино и телевидения. И именно задержкой зрительного восприятия объясняется один из секретов Леонардо — завораживающая улыбка Джоконды, волновавшая зрителей в течение пяти веков.

Так в чем же заключается тайна Джоконды? Ответ был получен на основании анализа последовательных кадров киносъемки человека, внимательно рассматривающего картину: если в первый момент взгляд был направлен на правую половину рта, то затем он перемещался вверх на нос, глаза, лоб, и заканчивалось обследование на левой половине рта. Левая половина рта Джоконды улыбается, правая — выражает состояние сосредоточенного внимания. И поскольку взгляд смотрящего не сразу схватывает всю картину, а последовательно обегает ее, то благодаря задержке восприятия к концу осмотра возникает парадоксальная ситуация — глаз как бы видит отображение на лице одновременно различных состояний души.

Это объяснение таинственной полуулыбки Джоконды подкрепляется результатами недавнего компьютерного исследования, проведенного учеными из Нидерландов и США. Программа проанализировала основные черты лица, изгиб губ и морщинки вокруг глаз, а затем оценила лицо по шести главным группам эмоций. Согласно оценкам лицо Джоконды на 83 % счастливое, на 9 % — выражает чувство отвращения, на 6 % — полное страха, и на 2 % — злое.

Сенсационное открытие в истории искусств было сделано и в 1987 г. Искусствовед и специалист по компьютерной графике Л. Шварц показала, что при повороте Туринского автопортрета Леонардо на 90 градусов характерные параметры лица художника и Моны Лизы совпадают с высокой точностью. Может быть, чтобы создать портрет человека Ренессанса с его сложным духовным миром, Леонардо и использовал столь необычный прием — рисовал части портрета Джоконды со своего лица в разных эмоциональных состояниях?

О фотометрии

Свет и тень

Леонардо да Винчи можно назвать основателем фотометрии — раздела оптики, рассматривающего вопросы освещенности. В его записных книжках вопросам света и тени посвящено более сотни записей. Он изучал оптические эффекты, возникающие благодаря световому излучению от одного и нескольких источников и зависящие от положения последних относительно объекта и глаза; эффекты прямого и рассеянного света; цветные рефлексы и т. д.

«Все наблюдаемые вещи приходят в глаз линиями пирамиды, и вершина пирамиды находится в середине зрачка…» Леонардо установил и основные законы фотометрии. Во-первых, это зависимость освещенности тела от угла падения света: «Свет, падающий на затененное тело под самым острым углом, создает самую большую освещенность, а наиболее темной частью тела является та, которая получает свет под большим углом; и свет, и тень образуют пирамиды…».

Во-вторых — зависимость освещенности от расстояния до источника света. Леонардо вывел так называемый «пирамидальный закон», гласящий, что освещенность уменьшается обратно квадрату расстояния от источника света до объекта. Следует отметить, что подобную закономерность он применял при рассмотрении многих других процессов, в частности при описании перспективы, анализе ослабления звука с расстоянием, а также излучения тепла от горячего тела.

Об излучении, поглощении и рассеянии света

Тепло — суть лучей

«Солнце греет за счет своего естественного тепла»
— Леонардо пришел к этому выводу, анализируя опыты по тепловому действию света. «Вогнутое зеркало, само будучи холодным, отражает лучи и получается тепло, горячее, чем от огня… Сферический сосуд, заполненный холодной водой, собирает падающие на него лучи и создает тепло, большее, чем от огня. Из этих двух экспериментов следует, что тепло является собственной сутью лучей, а не приходит от горячего зеркала или шара».

Из этих умозаключений следует вопрос фундаментального характера об источнике тепла, исходящего от Солнца. Говорят, что, сформулированная задача уже наполовину решена, но для получения окончательного ответа может понадобиться много времени и усилий. Реальный механизм источника тепла Солнца был понят лишь в начале XX в., после установления происходящих на нем ядерных превращений вещества.

Какое небо голубое...

Поразительно, но уже 500 лет назад Леонардо да Винчи сформулировал проблему происхождения цвета неба и прошел большую часть пути от простого любования к почти правильному пониманию природы этого явления.

«Я утверждаю, что синева неба есть не его собственный цвет, а порождается нагретой влагой, испаряющейся в виде мельчайших неощутимых частиц. Солнечные лучи ударяют по ним и заставляют светиться на фоне глубокой темноты, которая покрывает их сверху… И это можно увидеть, как видел я, если подняться на Монте Розу, вершину в Альпах… Если бы голубой цвет атмосферы был ее естественным цветом, отсюда следовало бы, что чем большая толщина атмосферы была бы между глазом и источником света, тем более плотной была бы голубизна, как это наблюдается в случае стекла или сапфира, которые тем темнее, чем толще. С атмосферой же происходит как раз наоборот, чем больше ее толщина, когда взгляд опускается к горизонту, тем она белее… Можно также отметить различие между пылинками и частицами дыма в солнечных лучах, проходящих в темную комнату через малое отверстие: в одном случае луч кажется пепельным, а луч, проходящий через тонкий дым, кажется прекрасно синим».

Модель Леонардо в основе своей близка современным представлениям, согласно которым голубой цвет неба является результатом рассеяния солнечного света, представляющего собой электромагнитные волны, на флуктуациях плотности воздуха. При этом коротковолновая, синяя, часть спектра рассеивается значительно сильнее.

Красный сигнальный

Изучая особенности восприятия удаленных объектов, Леонардо выделил, помимо геометрической перспективы, еще две стороны проблемы, дав им специальные названия: перспектива цвета (как меняется видимый цвет объекта с увеличением расстояния до него) и перспектива отчетливости (почему границы удаленных объектов видны не столь резко, как близких).

Вот одно из наблюдений, важное для художника-пейзажиста: «Различные цвета, которые сами по себе не голубые, будут на большом расстоянии казаться голубее, и цвета, наиболее далекие от черного, на большом расстоянии почти сохранят свой цвет. Следовательно, зелень полей будет казаться более голубой, а желтый и белый меньше изменятся, чем зеленый, а красный еще меньше».

Знает ли уважаемый читатель, что сигнальные огни автомобилей и светофоров окрашены в красный цвет именно из-за минимального рассеяния красных лучей в воздухе по сравнению с лучами других цветов из видимой части спектра? Можно сказать, что это есть наиболее широко используемый результат научных исследований Леонардо да Винчи, конкурирующий лишь, по-видимому, с изобретенным им велосипедом.

Исследования Леонардо по второму направлению послужили научной основой сфумато, знаменитой техники живописи, также изобретенной великим художником.

О волновой природе света

«Когда волны гуляют по полю, колосья остаются на месте»

Краткая, в одну строку, запись из «Атлантического Кодекса» да Винчи — ключевое слово «волны» произнесено. Затем начинается длительное, предельно вдумчивое исследование сущности волнового движения в экспериментах на воде. Почти в полном соответствии с шуточной рекомендацией Козьмы Пруткова: «Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими образуемые; иначе такое бросание будет пустой забавою».

Явление дисперсии — разложения солнечного света в спектр — Леонардо описал за двести лет до известных опытов Ньютона со стеклянной призмой Леонардо обнаружил, что возмущения на воде от брошенных камней свободно, без заметных последствий, проникают друг через друга. Но ведь такого эффекта никогда не наблюдается при столкновениях твердых тел, водных и воздушных потоков! И Леонардо приходит к заключению, что обнаруженный эффект является характерной особенностью именно волнового движения.

Он формулирует вывод о волновой природе звука и света: «Хотя звуки, проникающие сквозь воздух, кругообразно расходятся от своей причины, круги, распространяющиеся от различных исходных точек, встречаются друг с другом без какой бы то ни было помехи и проходят один через другой, всегда сохраняя в качестве центра свою причину».

Леонардо да Винчи за три столетия до открытия интерференции указал на общую природу таких явлений, как переливающиеся разными цветами перья птиц, радужные цвета на поверхности старых стекол и масляных пленках на поверхности воды И далее: «В воде при ударе образуются круги вокруг точки удара; голос в воздухе создает то же на больших расстояниях; свет идет еще дальше». «Каждое тело наполняет окружающий воздух своими изображениями, и каждое изображение появляется полностью и со всеми своими частями. Воздух заполнен бесчисленным множеством лучей, которые пересекаются, не смещая друг друга, и которые воспроизводят, где бы их ни принимали, истинную форму своей причины».

Стоит напомнить, что представление о волновой природе света было признано физиками лишь в XVIII в., после столетних споров. Драматическая история развития физической оптики является результатом особенностей взаимодействия света с веществом в зависимости от соотношения длины волны света и характерного размера объекта.

Леонардо впервые заметил и подробно описал еще один красивый оптический эффект:
«Глаз, глядящий на ярко освещенное тело, увидит круг, более яркий, чем окружающий воздух… Причина состоит в том, что эта яркость образуется в глазу, а не на самом деле вокруг тела, как кажется… И будет казаться, что отмеченные круги состоят из переходов различных цветов, как в радуге... ».

С этим явлением, называемым в научной литературе дифракцией, связано дальнейшее совершенствование современных оптических систем
У Леонардо же, с его стремлением познавать «бесчисленные связи в каждом явлении», не могло возникнуть и мысли о несовместимости геометрической оптики и представлений о волновой природе света. Ведь необходимость рассмотрения явления в целом составляет одно из наиболее важных положений научного метода этого величайшего универсального гения в истории человечества.

«Внимательно изучайте меня, читатели, если Вы восхищаетесь мной, ибо очень редко я буду возвращаться в мир, и потому что упорство в этой профессии можно найти лишь среди немногих, и только среди тех, кто желает создавать новое. Приходите, люди, поглядеть на чудеса, какие научные занятия раскрывают в Природе».

Понравилось? Поделись с друзьями!

Подпишись на еженедельную e-mail рассылку!

comments powered by HyperComments