Свет и его восприятие глазом человека физика. Привет студент. Общее влияние цвета на физическое и психическое состояние человека

Как возникают изображения предметов на сетчатке? Лучи, отраженные от предметов, на которые направлено наш глаз, проходят через роговицу, жидкость, содержащаяся между ней и радужной оболочкой, хрусталик и стекловидное тело.

В каждом из этих сред они изменяют свое направление, т.е. преломляются. Основное значение для преломления света в глазу имеет хрусталик. У людей с нормальным зрением лучи, преломились в хрусталике, попадают на сетчатку и образуют на ней четкое изображение предметов. На рисунке 6 показано, как лучи от нижней точки предмета В, преломляясь, собираются на поверхности сетчатки в точке В1 лучи от верхней точки А собираются ниже в точке А1. Итак, изображение на сетчатке будет действительным, уменьшенным и перевернутым. В зрительных нервных центрах коры большого мозга формируется изображение таким, каким оно есть на самом деле.

Что такое аккомодация? Для четкого восприятия предметов необходимо, чтобы их изображение всегда попадал на сетчатку. Когда человек смотрит вдаль, предметы, расположенные на близком расстоянии, кажутся нечеткими. Если рассматривать близкие предметы, то нечетко видно отдаленные. Люди могут четко различать предметы, расположенные на разном расстоянии от глаза, благодаря способности хрусталика изменять свою кривизну. Способность глаза приспосабливаться к четкому видению предметов, находящихся на разном расстоянии, называют аккомодацией (от лат. АКОМ дате - приспособление к чему-либо) (рис. 7).

Наименьшее расстояние от глаза, с которой изображение еще воспринимается четко, для детей и подростков в норме составляет 7-10 см. С возрастом хрусталик теряет свою эластичность и аккомодационная способность глаза уменьшается.

Вспомните из курса физики, что такое свет.

Как мы воспринимаем свет? Лучи света попадают на сетчатку, состоящую из нескольких слоев клеток различных по форме и функциям (рис. 9, 10). Внешний слой клеток содержит черный пигмент, который поглощает световые лучи. В следующем слое имеются светочувствительные клетки - фоторецепторы: колбочки и палочки. Фоторецепторы соединяются с нервными клетками, образующими третий слой. Четвертый слой сетчатки состоит из крупных нервных клеток. их отростки образуют зрительный нерв, которым возбуждение передается в зрительной зоны коры большого мозга. Место, где зрительный нерв выходит из сетчатки, лишенное фоторецепторов, не воспринимает света и называется слепым пятном (рис. 8). Ее площадь (в норме) составляет от 2,5 до 6 мм2. Предметы, изображения которых попадает на участок, мы не видим.

В сетчатке человека насчитывают около 130 млн палочек и 7 млн. колбочек. Палочки расположены на периферии сетчатки. Они очень чувствительны к свету и поэтому возбуждаются даже при малом, так называемом сумеречном, освещении. Колбочки возбуждаются при ярком свете и малочувствительны к слабому освещению.

В центре сетчатки содержатся преимущественно колбочки. Это место называют желтым пятном (рис. 8). Желтое пятно, особенно его центральная ямка, считается местом наилучшего видения. В норме изображение всегда фокусируется на желтом пятне. При этом предметы, которые воспринимаются периферическим зрением, различаются хуже. Например, задержите взгляд на любом слове в середине строки, который вы читаете. Это слово будет хорошо видно, а слова, расположенные в начале и в конце строки, различаются значительно хуже.

В процессе преобразования энергии света в нервный импульс важную роль играет витамин А. Его недостаток вызывает значительное ухудшение сумеречного зрения, то есть так называемую куриную слепоту.

При возбуждении палочек возникает ощущение белого света (бесцветное ощущения), поскольку они воспринимают широкий спектр световых лучей.

Наш глаз способен воспринимать электромагнитные колебания с длиной волны от 320 до 760 нм (нм - нанометр - одна миллиардная доля метра). Лучи, длина волны которых короче 320 нм, называют ультрафиолетовыми, а с длиной волны больше 760 нм - инфракрасными.

Как мы воспринимаем цвет? Ли цвета мы воспринимаем? Мир разноцветный, и мы можем видеть его таким. Цвета мы воспринимаем с помощью колбочек, которые реагируют только на определенную длину волны.

Существует три типа колбочек. Колбочки первого типа реагируют преимущественно на красный цвет, другой - на зеленый и третьего - синий. Эти три цвета называют основными. Оптическим смешиванием основных цветов можно получить все цвета спектра и их оттенки. Если колбочки всех типов возбуждаются одновременно и одинаково, возникает ощущение белого цвета (рис. 11).

У некоторых людей цветовое зрение нарушено. Расстройство цветового зрения, или частичную цветовую слепоту, называют дальтонизмом. Название происходит от фамилии английского ученого Дж. Дальтона, который 1794 впервые описал это явление. Различают врожденный и приобретенный дальтонизм. Прирожденным (наследственным), собственно дальтонизмом, бывает, как правило, расстройство восприятия красного и зеленого цветов. Слепота на синий цвет является частью приобретенной. Расстройства цветового зрения объясняют отсутствием определенных колбочек в сетчатке глаза. Случается также частичный дальтонизм (неспособность воспринимать один из основных цветов). Дальтонизм наблюдается в 0,5% женщин и 5% мужчин. Люди, страдающие расстройствами цветового зрения, не могут работать на транспорте, в авиации и т.п.. Дальтонизм не лечится.

Как цвет влияет на эмоциональную сферу человека, его работоспособность? Известно, что один цвет успокаивает, другой раздражает. На этом основывается методика определения настроения человека. Еще немецкий поэт И. Гете писал о способности цвета создавать настроение: желтый - веселит и бодрит, зеленый - вмиротворюе, синий - вызывает грусть. Психологи доказали, что красный цвет приводит к цветовой усталости, а зеленый помогает ее снять. Цвет влияет на производительность труда человека. Гигиенисты установили, что зеленый и желтый цвета обостряют зрение, ускоряют зрительное восприятие, создают устойчивое ясное видение, снижают внутренне глазное давление, обостряют слух, способствуют нормальному кровообращению, т.е. в целом повышают работоспособность человека. Красный цвет действует противоположно. Эти данные используют дизайнеры при оформлении рабочих мест.

свет цвет физиология восприятие

Для создания безопасных условий труда требуется не только достаточная освещенность рабочих поверхностей, но и рациональное направление света, отсутствие резких теней и бликов, вызывающих слепящее действие.

Правильная освещенность и окраска оборудования, опасных мест дает возможность следить за ними более внимательно (станок, окрашенный в однотонный цвет), а предупреждающая окраска опасных мест позволит уменьшить травматизм. Кроме того подбор правильного сочетания цветов и их интенсивности сведет до минимума время адаптации глаз при переводе взгляда с детали на рабочую поверхность. Правильно подобранная окраска может влиять на настроение рабочих, а, следовательно, и на производительность труда. Таким образом, недооценка влияния освещения, выбора цвета и света приводят к преждевременному утомлению организма, накоплению ошибок, снижению производительности труда, увеличению брака и, как следствие, к травматизму. Некоторое пренебрежение к вопросам освещенности вызвано тем, что глаз человека имеет очень широкий диапазон приспособления: от 20 лк (в полнолуние) до 100000 лк.

Естественное освещение - это видимый спектр излучения электромагнитных волн солнечной энергии длиной 380 - 780 нм (1 нм = 10 -9 м). Видимый свет (белый) состоит из спектра цветов: фиолетовый (390 - 450 нм), синий (450 - 510 нм), зеленый (510 - 575 нм), желтый (575 - 620 нм), красный (620 - 750 нм). Излучение с длиной волны более 780 нм называется инфракрасным, а с длиной волны менее 390 нм - ультрафиолетовым.

Цвет и свет взаимосвязаны между собой. Цвета, наблюдаемые человеком, делятся на хроматические и ахроматические. Ахроматические цвета (белый, серый, черный) имеют разные коэффициенты отражения и, поэтому, основной их характеристикой является яркость. Хроматические цвета (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый) характеризуются, в основном, тоном, который определяется длиной волны и чистотой или насыщенностью (степень "разбавленности" основного цвета белым). Окраска оборудования, материалов и др. в чёрный цвет угнетает человека. При переноске стандартных ящиков белого и черного цвета все рабочие заявили, что чёрные ящики тяжелее. Чёрную нить на белом фоне видно в 2100 раз лучше, чем на черном, но при этом наблюдается резкий контраст (отношение яркостей). С увеличением яркости и освещения до известных пределов усиливается острота зрения и яркость, с которой глаз различает отдельные предметы, т.е. быстрота различения. Слишком большая яркость света отрицательно влияет на органы зрения, вызывая ослепление и резь в глазах. Приспособление глаз к изменению яркости называется тёмной и светлой адаптацией. При работе на станке тёмно-серого цвета (отражающего 5% света) и с блестящей деталью (отражающей 95% цвета) рабочий переводит взгляд со станка на деталь 1 раз в минуту, при этом на адаптацию глаза затрачивается примерно 5 секунд. За семичасовой рабочий день будет потеряно 35 минут. Если при тех же условиях работы изменить время адаптации до 1 секунды за счет правильного подбора контраста, потеря рабочего времени будет равна 7 минутам.

Неправильный подбор освещения влияет не только на потерю рабочего времени и утомление рабочих, но и увеличивает травматизм в период адаптации, когда рабочий не видит или плохо видит деталь, и выполняет рабочие операции автоматически. Подобные условия наблюдаются и при монтажных работах, работе крана и других видах работ в вечернее время при искусственном освещении. Поэтому отношение яркостей (сущность контраста) не должно быть большим.

В восприятии цветов человеком важную роль играет цветовой контраст, т.е. преувеличение действительной разницы между одновременными восприятиями. Одна французская торговая фирма заказала партию красной, фиолетовой и голубой ткани с черным узором. Когда заказ был выполнен, фирма отказалась его принять, т.к. на красной ткани вместо черного узора был зеленоватый; на голубой - оранжевый, на фиолетовой - желто-зеленоватый. Суд обратился к специалистам, и когда те закрыли ткань, то в прорезях на бумаге рисунок был черный.

В настоящее время установлено, что красный цвет возбуждает, но и быстро утомляет человека; зеленый полезен для человека; желтый вызывает тошноту и головокружение. Естественное освещение считается самым лучшим для здоровья человека.

Солнечный свет оказывает биологическое действие на организм, поэтому естественное освещение является гигиеничным. Замена естественного освещения искусственным допускается только тогда, когда по каким-либо причинам нельзя использовать (или невозможно использовать) естественное освещение рабочих мест.

Поэтому нормирование освещения производственных помещений и рабочих мест осуществляется на научной основе с учетом следующих основных требований:

• 1. Достаточная и равномерная освещенность рабочих мест и обрабатываемых деталей;
• 2. Отсутствие яркости, блеклости и слепящего действия в поле зрения рабочих;
• 3. Отсутствие резких теней и контрастов;
• 4. Оптимальная экономичность и безопасность осветительных систем.

Следовательно, для правильного светового режима необходимо учитывать весь комплекс гигиенических условий, т.е. количественную и качественную стороны освещения.

Для измерения освещенных рабочих мест и общей освещенности помещений используют люксметр типа Ю-116, Ю-117, универсальный люксметр - яркометр ТЭС 0693, фотометр типа 1105 фирмы "Брюль и Кэр". Принцип работы приборов основан на использовании фотоэлектрического эффекта - эмиссии электронов под действием света (рис 2.4.1).

При выполнении различных видов работ применяют естественное, искусственное и смешанное освещение, параметры которых регламентируются ГОСТ 12.1.013-78, СНиП ІІ-4-79 "Естественное и искусственное освещение", инструкцией по проектированию электрического освещения строительных площадок (СН 81-80). Все помещения с постоянным пребыванием людей должны иметь естественное освещение.

Там, где невозможно осуществить естественное освещение или если оно не регламентируется СНиП П-4-79, применяется искусственное или смешанное освещение.

Оптическая часть спектра, состоящая из ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных излучений, имеет диапазон волн от 0,01 до 340 мкм. Видимое излучение, воспринимаемое глазом, называется световым и имеет длину волн от 0,38 до 0,77 мкм, а мощность такого излучения - световым потоком (F). Единицей светового потока принят люмен. Это величина, равная 1/621 светового ватта. Люмен [лм] определяется как световой поток, который испускается полным излучателем (абсолютно черным телом) при температуре затвердения платины с площадью 530,5?10 -10 м 2 (световой поток от эталонного точечного источника в 1 канделу, расположенного в вершине телесного угла в 1 стерадиан). Стерадиан - это единичный телесный угол щ, который является частью среды радиусом 1 м и площадью сферической поверхности, основание которой равно 1 м 2 .

где щ - единичный телесный угол, 1 стер;

S - площадь сферической поверхности, 1 м 2 ;

R - радиус сферической поверхности, 1 м.

Пространственная плотность светового потока в данном направлении называется силой света (I). За единицу силы света принята кандела [кд].

где Й - сила света, кд;

F - световой поток, лм.

Величина светового потока, который приходится на единицу освещаемой поверхности, называется освещенностью (Е). Измеряется освещенность в люксах. Люкс - освещенность поверхности площадью 1м 2 равномерно распределенным световым потоком в 1 лм.

Видимость предметов зависит от части света, отраженного предметом, и характеризуется яркостью (В). Измеряется яркость в [кд/м 2 ].

где б - угол между нормалью к элементу поверхности S и направлением, для которого определяется яркость.

Яркость - светотехническая величина, на которую непосредственно реагирует глаз. Гигиенически приемлемым являются яркости до 5000 кд. Яркость в 30000 кд и выше является ослепляющей. К качественным показателям освещенности относятся фон и контрастность, видимость, показатель ослепленности и т.д.

Фон - это поверхность, которая примыкает к объекту (различие). Фон считается светлым при коэффициенте отражения с > 0,4; средним при с = 0,2-0,4; и темным при с < 0,2.

Контрастность характеризуется отношением яркостей рассматриваемого предмета и фона:

Контрастность освещения считается большой при > 0,5; средней при = 0,2-0,5; и малой при < 0,2.

Равномерность освещения характеризуется отношением минимальной освещенности к её максимальному значению в пределах всего помещения.

Естественное освещение

Естественное освещение является наиболее приемлемым человеку, поэтому помещения с постоянным пребыванием людей должны иметь в основном естественное освещение. Естественное освещение осуществляется через оконные, дверные проемы, через фонари, прозрачные кровли. Поэтому оно подразделяется на (рис.2.4.2):

• а) верхнее освещение - через световые фонари, прозрачные кровли;
• б) боковое освещение - через окна;
• в) комбинированное освещение - через окна и фонари, и т.д.

Критерием естественной освещенности является коэффициент естественной освещенности (КЕО или Е Н), который представляет отношение естественной освещенности светом неба в некоторой точке заданной плоскости внутри помещения Е вн к одновременному значению наружной горизонтальной освещенности, создаваемой светом полностью открытого небосвода Е нар, и выражается в процентах:

Нормирование КЕО проводится согласно с требованиями СНиП ЙЙ-4-79 "Естественное и искусственное освещение. Нормы проектирования".

Согласно СНиП ЙЙ-4-79 при одностороннем боковом освещении критерием оценки является минимальное значение КЕО в точке, расположенной в 1 м от стены, наиболее удаленной от световых проемов, на пересечении вертикальной плоскости характерного разреза помещения и условной рабочей поверхности или пола. Под характерным разрезом помещения понимается поперечный разрез помещения, плоскость которого перпендикулярна к плоскости остекления световых проемов. В характерный разрез помещения должны попадать участки с наибольшим количеством рабочих мест. За условную рабочую поверхность принимается горизонтальная поверхность, расположенная на высоте 0,8 м от пола. При двустороннем боковом освещении критерием оценки является минимальное значение KЕO в середине помещения, в точке на пересечении вертикальной плоскости характерного разреза помещения и условной рабочей поверхности (пола).

При верхнем, боковом и комбинированном освещении нормируется среднее значение КЕО (табл. 2.4.1.).

Все параметры освещения определяются разрядом зрительной работы. Разряд зрительной работы при расстоянии от объекта различия до глаз работающего более 0,5 м определяется отношением минимального размера объекта различия (d) к расстоянию от этого объекта до глаз работающего (l). Под объектом различия понимается рассматриваемый предмет, отдельная его часть или дефект, которые требуется различать в процессе работ. Всего установлено восемь разрядов зрительной работы (табл. 2.4.1).

Нормированное значение KЕO (Е н) принимается в зависимости от разряда зрительной работы, особенностей светового климата и солнечного климата.

Для зданий располагаемых в Й, II, ЙV и V поясах светового климата стран СНГ, в зависимости от вида освещения, боковое или верхнее нормированное значение КЕО (Е н б, Е н в) определяется по формуле:

где m-коэффициент светового климата; с-коэффициент солнечности климата.

Значение Е н III находится по таблице 2.4.1; коэффициент светового климата (m) - по таблице 2.4.2; коэффициент солнечности климата (С) - по таблице 2.4.3. Неравномерность естественного освещения производственных и общественных зданий с верхним или с верхним и боковым освещением основных помещений для детей и подростков при боковом освещении не должна превышать 3:l.

Неравномерность естественного освещения не нормируется для помещений с боковым освещением при выполнении работ VЙЙ, VIII разрядов при верхнем и комбинированном освещении, для вспомогательных и общественных зданий ЙЙЙ и IV групп (п.1.2 СНиП ЙЙ-4-79). При проектировании зданий в ЙЙЙ и V климатических районах, где выполняются работы I - IV разрядов, необходимо предусматривать солнцезащитные устройства. При естественной освещенности помещений большое значение имеет уход за окнами и фонарями. Грязные стекла задерживают до 50% всего света. Поэтому должна производиться регулярная чистка стекол и побелка помещений. С незначительным выделением пыли чистки стекол производится через шесть месяцев, побелка - один раз в три года; в пыльных - четыре раза в год чистка и один раз в год побелка.

При проектировании зданий одной из важных задач является правильный расчет площади световых проемов при естественном освещении.

Если площадь световых проемов будет меньше требуемой, то это приведет к снижению освещенности и, как следствие, к снижению производительности труда, повышенной утомляемости работающих, заболеваниям и появлению травматизма.

Таблица 2.4.1. Нормирование коэффициента естественного освещения

Таблица 2.4.2. Значение коэффициента светового климата, m

Таблица 2.4.3. Значение коэффициента солнечности климата, с

Рис. 2.4.3

Для исправления допущенной ошибки необходимо дополнительно вводить искусственное освещение, что вызовет постоянные дополнительные расходы. Если площадь световых проемов будет больше, то потребуется постоянные дополнительные расходы на отопление зданий. Поэтому СНиП II-4-79 запрещает для отапливаемых зданий предусматривать площадь световых проемов больше, чем требуется по настоящим нормам (рис. 2.4.5). Установленные размеры световых проемов допускается изменять на +5, -10%.

Площадь световых проемов в свету рассчитывают

При боковом освещении, м 2:

• (2.4.8)
• - при верхнем освещении, м 2:

где - нормированное значение КЕО;

S 0 и S ф - площадь окон и фонарей;

S п - площадь пола;

з 0 и з ф - световые характеристики окна и фонаря (ориентировочно приняты для окон 8,0 - 15,0, для фонарей 3,0 - 5,0).

Световая характеристика окон (з о) оценивается по таблице 26 с учетом характеристики помещения, а световая характеристика фонаря или светового проема (з ф) - по таблицам 31 и 32 приложения 5 СНиП ЙЙ-4-79 с учетом характеристик помещения и фонарей.

Коэффициенты, учитывающие затенение окон противостоящими зданиями (К зд), тип фонаря (К ф) определяются по таблице 3 СНиП II-4-79; К з - коэффициент запаса принимается по таблице 5.

При боковом освещении до проведения работ необходимо оценить отношение ширины (глубины) помещений (В) к расстоянию от уровня условной рабочей поверхности до верхнего края окна (h 1).

Общий коэффициент (рис.2.4.3.) светопропускания (ф 0), зависит от коэффициентов светопропускания материала (ф 1), коэффициентов, учитывающих потери света в переплетах светопроема (ф 2), потери света в несущих конструкциях (ф 3), потери света в солнцезащитных устройствах (ф 4), потери света в защитной сетке, устанавливаемой под фонарями (ф 5 =0,9). Значения коэффициентов приведены в СНиП II-4-79 приложения 5 таблицы 28, 29.

Коэффициенты, которые учитывают повышение КЕО от отражения света (r 1 и r 2) находят по таблицам 30 и 33 приложения 5 СНиП ЙЙ-4-79 с учётом коэффициента отражения (с ср) и характеристик помещения.

Чтобы правильно рассчитать площадь световых проемов (в свету) при боковом (S 0) или верхнем (S ф) освещении, необходимо знать не только параметры проектируемого помещения, но и виды работ, для которых проектируется здание, в каком световом климате Украины или СНГ строится объект, взаимное расположение объектов.

Благодаря зрительному аппарату (глазу) и мозгу человек способен различать и воспринимать цвета окружающего его мира. Довольно нелегко сделать анализ эмоционального воздействия цвета, по сравнению с физиологическими процессами, появляющимися в результате световосприятия. Однако большое количество людей предпочитает определённые цвета и полагает, что цвет оказывает непосредственное воздействие на настроение. Трудно объяснить то, что многие люди находят сложным жить и работать в помещениях, где цветовое оформление кажется неудачным. Как известно, все цвета разделяют на тяжелые и лёгкие, сильные и слабые, успокаивающие и возбуждающие.

Строение человеческого глаза

Опытами ученых сегодня доказано, что у многих людей существует похожее мнение относительно условного веса цветов. Например, по их мнению, красный является самым тяжёлым, за ним следует оранжевый, потом синий и зелёный, затем - жёлтый и белый.

Строение человеческого глаза достаточно сложное:

склера;
сосудистая оболочка;
зрительный нерв;
сетчатка;
стекловидное тело;
ресничный поясок;
хрусталик;
передняя камера глаза, наполненная жидкостью;
зрачок;
радужная оболочка;
роговица.

Когда человек наблюдает объект, то отраженный свет сначала попадает на его роговицу, затем проходит через переднюю камеру, и отверстие в радужной оболочке (зрачок). Свет попадает на сетчатку глаза, но прежде он проходит через хрусталик, который может изменять свою кривизну, и стекловидное тело, где появляется уменьшенное зеркально-шарообразное изображение видимого объекта.
Для того, чтобы полосы на французском флаге казались одинаковой ширины на судах их делают в пропорции 33:30:37

На сетчатке глаза расположены два вида светочувствительных клеток (фоторецепторов), которые при освещении изменяют все световые сигналы. Они также называются колбочками и палочками.

Их существует около 7 млн, и они распределены по всей поверхности сетчатки, за исключением слепого пятна и имеют малую светочувствительность. Кроме того, колбочки подразделяются на три вида, это чувствительные к красному свету, зелёному и синему, соответственно реагирующие лишь на синюю, зелёную и красную часть видимых оттенков. Если же передаются остальные цвета, например жёлтый, то возбуждаются два рецептора (красно- и зелёночувствительный). При таком значительном возбуждении всех трёх рецепторов появляется ощущение белого, а при слабом возбуждении напротив - серого цвета. Если возбуждения трёх рецепторов отсутствуют, то возникает ощущение чёрного цвета.

Можно привести также следующий пример. Поверхность объекта, имеющего красный цвет, при интенсивном освещении белым светом, поглощает синие и зелёные лучи, и отражает красные, а также зелёные. Именно благодаря разнообразию возможностей смешения световых лучей различных длин спектра, появляется такое многообразие цветовых тонов, из которых глаз отличает примерно 2 млн. Вот так колбочки обеспечивают глаз человека восприятием цвета.

На чёрном фоне цвета кажутся интенсивнее, по сравнению со светлым.

Палочки наоборот, имеют намного большую чувствительность, чем колбочки, а также чувствительны к синезелёной части видимого спектра. В сетчатке глаза расположено около 130 млн. палочек, которые в основном не передают цвета, а работают при небольших освещённостях, выступая аппаратом сумеречного зрения.

Цвет способен изменять представление человека о настоящих размерах предметов, а те цвета, которые кажутся тяжёлыми, заметно уменьшают такие размеры. Например, французский флаг, состоящий из трёх цветов, включает синюю, красную, белую вертикальные полосы одинаковой ширины. В свою очередь, на морских судах соотношение таких полос меняют в пропорции 33:30:37 для того, чтобы на большом расстоянии они казались равнозначными.

Огромное значение на усиление или ослабление восприятия глазом контрастных цветов имеют такие параметры как расстояние и освещение. Таким образом, чем больше расстояние между глазом человека и контрастной парой цветов, тем наименее активно они кажутся нам. Фон, на котором находится предмет определённого цвета, также воздействует на усиление и ослабление контрастов. То есть на чёрном фоне они кажутся интенсивнее, по сравнению с любым светлым.

Мы обычно не задумываемся о том, что есть свет. А между тем именно эти волны несут в себе большое количество энергии, которая используется нашим организмом. Нехватка света в нашей жизни не может не отразиться отрицательно для нашего организма. Не даром сейчас становится всё более популярным лечение, основанное на воздействие этих электромагнитных излучений (цветотерапия, хромотерапия, ауро-сома, цветовая диета, графохромотерапия и многое другое).

Что такое свет и цвет?

Свет - это электромагнитное излучение с длиной волны от 440 до 700 нм. Человеческий глаз воспринимает часть солнечного света и охватывает излучение с длиной волны от 0,38 до 0,78 микрон.

Световой спектр состоит из лучей очень насыщенного цвета. Свет распространяется со скоростью 186 000 миль в секунду (300 млн. километров в секунду).

Цвет - основной признак, по которому различаются лучи света, то есть это отдельные участки световой шкалы. Восприятие цвета формируется в результате того, что глаз, получив раздражение от электромагнитных колебаний, передаёт его в высшие отделы головного мозга человека. Цветовые ощущения имеют двойственную природу: они отражают свойства, с одной стороны, внешнего мира, а с другой - нашей нервной системы.

Минимальные значения соответствуют синей части спектра, а максимальные - красной части спектра. Зелёный цвет - находится в самой середине этой шкалы. В цифровом выражении цвета можно определить следующим образом:
красный - 0,78-9,63 микрон;
оранжевый - 0,63-0,6 микрон;
жёлтый - 0,6-0,57 микрон;
зелёный - 0,57-0,49; микрон
голубой - 0,49-0,46 микрон;
синий - 0,46-0,43 микрон;
фиолетовый - 0,43-0,38 микрон.

Белый свет - это сумма всех волн видимого спектра.

За пределами этого диапазона находятся ультрафиолетовые (УФ) и инфракрасные (ИК) световые волны, их человек зрительно уже не воспринимает, хотя они оказывают очень сильное воздействие на организм.

Характеристики цвета

Насыщенность - это интенсивность цвета.
Яркость - это количество световых лучей, отражённых поверхностью данного цвета.
Яркость определяется освещением, то есть количеством отражённого светового потока.
Для цветов характерно свойство перемешиваться между собой и тем самым давать новые оттенки.

На усиление или ослабление восприятия человеком контрастных цветов влияют расстояние и освещение. Чем больше расстояние между контрастной парой цветов и глазом, тем менее активно они выглядят и наоборот. Окружающий фон так же влияет на усиление или ослабление контрастов: на чёрном фоне они сильнее, чем на любом светлом.

Все цвета делятся на следующие группы

Первичные цвета: красный, жёлтый и синий.
Вторичные цвета, которые образовываются посредством соединения между собой первичных цветов: красный + жёлтый = Оранжевый, жёлтый + синий = зелёный. Красный + синий = фиолетовый. Красный + жёлтый + синий = коричневый.
Третичные цвета - это те цвета, которые были получены посредством смешения вторичных цветов: оранжевый + зелёный = жёлто-коричневый. Оранжевый + фиолетовый = красно-коричневый. Зелёный + фиолетовый = сине-коричневый.

Польза цвета и света

Чтобы восстановить здоровье, нужно передать в организм соответствующую информацию. Эта информация закодирована в цветовых волнах. Одной из главных причин большого числа, так называемых, болезней цивилизации - гипертонии, высокого уровня холестерина, депрессии, остеопороза, диабета и т. д. может быть назван недостаток естественного света.

Меняя длину световых волн, можно передавать клеткам именно ту информацию, которая необходима для восстановления их жизнедеятельности. Цветотерапия и направлена на то, чтобы организм получил не хватающую ему цветовую энергию.

Ученые до сих пор не пришли к единому мнению о том, как свет проникает в тело человека и воздействует на него.

Действуя на радужку глаза, цвет возбуждает определённые рецепторы. Те, кто хоть однажды проходил диагностику по радужной оболочке глаза, знает, что по ней можно «прочитать» болезнь любого из органов. Оно и понятно, ведь «радужка» рефлекторно связана со всеми внутренними органами и, разумеется, с мозгом. Отсюда нетрудно догадаться, что тот или иной цвет, действуя на радужную оболочку глаза, тем самым рефлекторно воздействует и на жизнедеятельность органов нашего тела.

Возможно, свет проникает через сетчатку глаза и стимулирует гипофиз, который в свою очередь стимулирует тот или иной орган. Но тогда не понятно, почему полезен такой метод как цветопунктура отдельных секторов человеческого тела.

Вероятно, наше тело способно чувствовать эти излучения с помощью рецепторов кожного покрова. Это подтверждает наука радионика - согласно этому учению вибрации света вызывают вибрации в нашем организме. Свет вибрирует во время движения, наше тело начинает вибрировать во время энергетического излучения. Это движение можно увидеть на фотографиях Кирлиана, с помощью которых можно запечатлеть ауру.

Возможно, эти вибрации начинают воздействовать на мозг, стимулируя его и заставляя вырабатывать гормоны. В последствии эти гормоны попадают в кровь и начинают воздействовать на внутренние органы человека.

Так как все цвета различны по своей структуре, то не трудно догадаться, что и воздействие каждого отдельного цвета будет различным. Цвета разделяют на сильные и слабые, успокаивающие и возбуждающие, даже на тяжёлые и легкие. Красный был признан самым тяжёлым, за ним шли равные по весу цвета: оранжевый, синий и зелёный, затем - жёлтый и последним - белый.

Общее влияние цвета на физическое и психическое состояние человека

На протяжении многих столетий у людей по всему миру складывалась определённая ассоциация определённым цветом. Например, римляне и египтяне соотносили чёрный цвет с печалью и скорбью, белый цвет - с чистотой, однако в Китае и Японии белый цвет - символ скорби, а вот у населения Южной Африки цветом печали был красный, в Бирме напротив, печаль ассоциировалась с жёлтым, а в Иране - с синим.

Влияние цвета на человека достаточно индивидуально, и зависит также от определённого опыта, например от метода подбора цвета определённых торжеств или же повседневной работы.

В зависимости от времени воздействия на человека, либо количества занимаемой цветом площади, он вызывает положительные или отрицательные эмоции, и влияет на его психику. Глаз человека способен распознавать 1,5 миллиона цветов и оттенков, а цвета воспринимаются даже кожей, воздействуют и на людей, лишённых зрения. В процессе исследований, проведённых учёными в Вене, имели место испытания с завязанными глазами. Людей ввели в комнату с красными стенами, после чего их пульс увеличился, затем их поместили в помещение с жёлтыми стенами, причём пульс резко нормализовался, а в комнате с синими стенами, он заметно понизился. Кроме того, заметное воздействие на цветовосприятии и снижении цветовой чувствительности оказывает возраст и пол человека. До 20-25 восприятие возрастает, а после 25 уменьшается по отношению к определённым оттенкам.

Исследования, имевшие место в американских университетах доказали, что основные цвета, преобладающие в детской комнате, могут воздействовать на изменение давления у детей, снижать или повышать их агрессивность, причем у зрячих и незрячих. Можно сделать соответствующий вывод, что цвета могут оказывать негативное и позитивное воздействие на человека.

Восприятие цветов и оттенков можно сравнить с музыкантом, настраивающим свой инструмент. Все оттенки способны вызывать в душе человека неуловимые отклики и настроения, поэтому он и ищет резонанс колебаний цветовых волн с внутренними отголосками своей души.

Ученые разных стран мира утверждают, что красный цвет помогает вырабатыванию красных телец в печени, а также помогает скорейшему выведению ядов из организма человека. Полагают, что красный цвет способен уничтожать различные вирусы и значительно снижает воспаления в организме. Зачастую в специальной литературе встречается мысль о том, что любому органу человека присущи вибрации определённых цветов. Разноцветную окраску внутренностей человека можно встретить на древних китайских рисунках, иллюстрирующих методы восточной медицины.

Кроме того, цвета не только влияют на настроение и психическое состояние человека, но и приводят к некоторым физиологическим отклонениям в организме. Например, в помещении с красными или оранжевыми обоями заметно учащается пульс и повышается температура. В процессе окраски помещений выбор цвета обычно предполагает очень неожиданный эффект. Нам известен такой случай, когда хозяин ресторана, хотевший улучшить аппетит у посетителей, приказал покрасить стены в красный цвет. После чего аппетит гостей улучшился, однако чрезвычайно увеличилось количество разбитой посуды и число драк и происшествий.

Известно также, что цветом можно вылечить даже многие серьезные заболевания. К примеру, во многих банях и саунах благодаря определенному оборудованию существует возможность принимать целебные цветовые ванны.

Чтобы видеть, нам нужен свет. Это положение может показаться слишком очевидным, чтобы заслуживать упоминания, однако оно не всегда было столь банальным. Платон думал, что зрительное восприятие существует не потому, что свет проникает в глаз, а потому, что частицы, исходящие из глаз, обволакивают окружающие предметы. Трудно представить себе теперь, почему Платон не попытался разрешить проблему с помощью простых экспериментов. Хотя для философов вопрос о том, каким образом мы видим, всегда был излюбленной темой размышлений и теоретических построений, только за последнее столетие эта проблема стала предметом систематических исследований; это довольно странно, поскольку все научные наблюдения зависят от показаний человеческих органов чувств и главным образом от зрения.

В течение последних 300 лет существовали две соперничавшие теории относительно природы света. Исаак Ньютон (1642-1727) считал, что свет - это поток частиц, в то время как Христиан Гюйгенс (1629-1695) утверждал, что свет представляет собой, по всей видимости, колебание небольших эластичных сферических образований, соприкасающихся друг с другом и перемещающихся во всепроникающей среде - эфире. Любое возмущение этой среды, как он считал, будет распространяться во всех направлениях в виде волны, а эта волна и есть свет.

Полемика относительно природы света - одна из наиболее впечатляющих и интересных в истории науки. Основным вопросом на ранних стадиях дискуссии был вопрос о том, распространяется ли свет с определенной скоростью или он достигает цели мгновенно. Ответ на этот вопрос был получен совершенно неожиданно датским астрономом Рёмером (1644-1710). Он изучал затмение четырех ярких спутников, вращающихся вокруг Юпитера, и обнаружил, что периоды между затмениями нерегулярны и зависят от расстояния между Юпитером и Землей.

В 1675 г. он пришел к заключению, что этот факт определяется временем, которое требуется, чтобы свет, исходящий от спутников Юпитера, достиг глаза экспериментатора; время возрастает с увеличением расстояния вследствие ограниченной скорости света. Действительно, расстояние от Земли до Юпитера равно примерно 299 274000 км - это в два раза больше, чем расстояние от Земли до Солнца; наибольшая временная разница, которую он наблюдал, равнялась 16 мин. 36 сек. -на этот отрезок времени раньше или позже, чем полагалось по расчету, начиналось затмение спутников. На основании несколько ошибочной оценки расстояния до Солнца он подсчитал, что скорость света равна 308 928 км/сек. Современные знания о диаметре земной орбиты позволяют нам уточнить эту величину и считать ее равной 299 274 км/сек, или Зх10 10 см/сек. Скорость света, таким образом, на небольших расстояниях от Земли измеряется очень точно, и теперь мы рассматриваем ее как одну из основных констант Вселенной.

Вследствие ограниченной скорости света и определенной задержки нервных импульсов, поступающих я мозг, мы всегда видим прошлое. Наше восприятие Солнца запаздывает на 8 мин.; всем известно, что наиболее отдаленный из видимых невооруженным глазом объектов - туманность Андромеды уже больше не существует и то, что мы видим, происходило за миллион лет до появления человека на Земле.

Скорость света, равная Зх10 10 см/сек, строго сохраняется только в полном вакууме. Когда свет проходит через стекло или воду или какую-нибудь другую пропускающую свет среду, его скорость уменьшается в соответствии с показателем преломления света (приблизительно в соответствии с плотностью этой среды). Это замедление скорости света исключительно важно, так как именно благодаря этому свойству света призма преломляет свет, а линзы создают изображение. Закон преломления (отклонение луча света в зависимости от изменения показателя преломления) был впервые установлен Снеллиусом, профессором математики, в Лейдене в 1621 году. Снеллиус умер в возрасте 35 лет, оставив свои работы неопубликованными. Декарт сформулировал Закон преломления одиннадцать лет спустя. Закон преломления гласит:

«При переходе света из среды А в среду В отношение синуса угла падения к синусу угла преломления света является константою».

Мы можем видеть, как это происходит, из простой диаграммы (рис. 2, 3): если АВ - луч, проходящий через плотную среду в вакуум (или воздух), то он появится в воздухе под углом i по линии BD.

Закон гласит, что sin i/sin r является постоянной величиной. Эта константа и есть индекс рефракции, или показатель преломления, обозначенный v.

Ньютон думал, что частицы света (корпускулы) притягиваются к поверхности плотной среды, Гюйгенс полагал, что преломление возникает вследствие того, что скорость света уменьшается в плотной среде. Эти предположения были высказаны задолго до того, как французский физик Фуко доказал прямыми измерениями, что скорость света в плотной среде действительно уменьшается. Некоторое время считали, что корпускулярная теория света Ньютона совершенно ошибочна и что свет - это только ряды волн, проходящих через среду, эфир; однако начало нынешнего столетия ознаменовалось важным доказательством того, что волновая теория света не объясняет всех световых явлений. Теперь считается, что свет - это и частицы и волны.

Свет состоит из единиц энергии - квантов. Они соединяют в себе свойства и частиц и волн. Коротковолновый свет содержит большее количество волн в каждом пучке, чем длинноволновый. Этот факт находит свое отражение в правиле, согласно которому энергия одного кванта является функцией частоты, иначе говоря, E = hv, где Е - это энергия в эрг/ сек; h - небольшая постоянная величина (константа Планка), а υ частота излучения.

Когда свет преломляется призмой, каждая частота отклоняется под несколько иным углом, так что из призмы пучок света выходит в виде веера лучей, окрашенных во все цвета спектра. Ньютон открыл, что белый свет состоит из всех цветов спектра, разложив солнечный луч на спектр и затем обнаружив, что он может вновь смешать цвета и получить белый свет, если пропускать спектр через вторую сходную призму, установленную в обратном положении.

Ньютон обозначил семь цветов своего спектра следующим образом: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Никто в действительности не видит синий цвет в чистом виде, еще более сомнителен оранжевый. Подобное деление спектра на цвета объясняется тем, что Ньютон любил число 7, и он добавил оранжевый и синий, чтобы получить магическую цифру!

Теперь мы знаем то, чего не знал Ньютон, а именно, что каждый спектральный цвет, или оттенок, является светом определенной частоты. Мы знаем также, что так называемое электромагнитное излучение, по существу, ничем не отличается от светового. Физическое различие между радиоволнами, инфракрасным светом, видимым светом, ультрафиолетовыми и рентгеновскими лучами состоит в их частоте. Только очень узкий диапазон этих частот возбуждает глаз и дает изображение и ощущение цвета. Диаграмма (рис. 2, 5) показывает, как узка эта полоса в физической картине волн. Взгляните на этот рисунок, ведь мы почти слепы!

Если нам известна скорость света и его частота, то легко подсчитать длину волны, однако в действительности частоту света трудно измерить непосредственно. Легче измерить длину световых волн, чем их частоту, хотя это не относится к низкочастотным радиоволнам. Длина световой волны измеряется путем расщепления света не с помощью призмы, а с помощью специальной решетки из тонких тщательно начерченных по определенным правилам линий, в результате чего также возникают цвета спектра. (Это можно видеть, если держать диск светового поляризатора наклонно, под тупым углом к источнику света: тогда отражение будет состоять из ярких цветов.) Если даны расстояния между линиями, нанесенными по определенному образцу и составляющими решетку, и угол, благодаря которому возникает пучок света данного цвета, то длина волны может быть определена очень точно. Подобным путем можно установить, что голубой свет имеет длину волны приблизительно 1/100 000 см, в то время как длина волны красного света равна 1/175 000 см. Длина световой волны важна для установления границ разрешающей способности оптических инструментов.

Мы не можем невооруженным глазом видеть один квант света, тем не менее рецепторы сетчатки настолько чувствительны, что они могут стимулироваться одним квантом света. Однако, чтобы получить ощущение вспышки света, необходимо несколько (от пяти до восьми) квантов света. Отдельные рецепторы сетчатки настолько чувствительны, насколько это вообще возможно для какого-либо детектора света, поскольку квант - это наименьшее количество лучистой энергии, которое вообще может существовать. К сожалению, прозрачные проводящие среды глаза далеки от совершенства и скрадывают возможности сетчатки воспринимать свет. Только около 10% света, поступающего в глаз, достигают рецепторов, остальное теряется вследствие поглощения и расщепления внутри глаза прежде, чем свет достигнет сетчатки. Несмотря на эти потери, оказывается возможным при идеальных условиях видеть одну свечу на расстоянии 27 353 м.

Идея квантовой природы света имеет важное значение для понимания зрительного восприятия; эта идея вдохновила на ряд изящных экспериментов, направленных на выяснение физических свойств света и его восприятия глазом и мозгом. Первый эксперимент, посвященный изучению квантовой природы света, был проведен тремя физиологами - Гехтом, Шлером и Пиренном в 1942 г. Их работа является сейчас классической. Предполагая, что глаз должен обладать почти или целиком такой же чувствительностью, как это теоретически возможно, они задумали очень остроумный эксперимент, чтобы выяснить, сколько квантов света должно быть воспринято рецепторами, чтобы мы увидели вспышку света. Доказательство основывалось на использовании распределения Пуассона. Оно описывает ожидаемое распределение попаданий в цель. Идея состоит в том, что по крайней мере частично изменения чувствительности глаза во времени связаны не с состоянием самого глаза или нервной системы, а с колебаниями энергии слабого светового источника. Вообразите беспорядочный поток пуль, они не будут попадать в цель с постоянной скоростью, скорость будет варьировать, сходным образом наблюдаются колебания и в количестве квантов света, которые достигают глаза. Данная вспышка может содержать малое или большое число квантов света, и вероятность обнаружить ее будет тем выше, чем больше она превышает среднее число квантов во вспышке. Для яркого света этот эффект несуществен, однако, поскольку глаз чувствителен и к нескольким квантам, колебания энергии света важно учитывать при минимальных величинах этой энергии, необходимых для возникновения ощущения.

Представление о квантовой природе света важно также и для понимания способности глаза выделять тонкие детали. Одна из причин, почему мы можем читать при свете луны только крупный газетный шрифт, состоит в том, что количество квантов, попадающих на сетчатку, недостаточно, чтобы создать полный образ за тот короткий промежуток времени, который требуется глазу, чтобы интегрировать энергию, - это число порядка одной десятой секунды. В действительности это еще не все, что может быть сказано по этому поводу; чисто физический фактор, обусловленный квантовой природой света, способствует появлению хорошо известного зрительного феномена - ухудшению остроты зрения при тусклом свете. До последнего времени это явление трактовалось исключительно как свойство глаза. В самом деле часто довольно трудно установить, следует ли относить тот или иной зрительный феномен к области психологии, физиологии или физики.

Как возникают изображения? Проще всего изображение может быть получено с помощью булавочного отверстия. Рисунок показывает, как это делается. Луч от части предмета х может достигнуть только одной части экрана у - той части, которая расположена на прямой линии, проходящей через булавочное отверстие. Каждая часть предмета освещает соответствующую часть экрана, так что на экране создается перевернутое изображение предмета. Полученное с помощью булавочного отверстия изображение будет довольно тусклым, потому что для четкого изображения нужно еще меньшее отверстие (хотя, если отверстие слишком мало, изображение будет расплывчатым, поскольку нарушается волновая структура света).

Линза фактически представляет собой пару призм. Они направляют поток света от каждой точки объекта к соответствующей точке экрана, давая, таким образом, яркое изображение. В отличие от булавочного отверстия, линзы хорошо работают только тогда, когда соответствующим образом подобраны и правильно установлены. Хрусталик может быть неправильно настроен и не соответствовать глазу, в котором он находится. Хрусталик может фокусировать изображение спереди или сзади сетчатки, вместо того чтобы фокусировать его на самой сетчатке, что приводит к появлению близорукости или дальнозоркости. Поверхность хрусталика может быть недостаточно сферической и вызывать искажение или нарушение четкости изображения. Роговица может быть неправильной формы или иметь изъяны (возможно, вследствие повреждения металлической стружкой на производстве или песчинкой при вождении машины без предохранительных очков). Эти оптические дефекты могут быть скомпенсированы с помощью искусственных линз - очков. Очки исправляют дефекты аккомодации, изменяя силу хрусталика; они корригируют астигматизм, добавляя несферический компонент. Обычные очки не могут исправить дефекты поверхности роговицы, однако, новые роговичные линзы, установленные на самом глазу, образуют новую поверхность роговицы.

Очки удлиняют нашу активную жизнь. С их помощью мы можем читать и выполнять сложную работу в старости. До их изобретения работники умственного и физического труда становились беспомощными вследствие недостатков зрения, хотя они были еще сильны разумом.

Используемая литература: Р. Л. Грегори
Глаз и мозг. Психология зрительного восприятия: Л.Р. Грегори
под ред. Э. Пчелкина, С. Елинсон.-м. 1970 г.

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.

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.