I на рисунке 36 соответствует «денным» колбочкам, а кривая II – «ночным» палочкам.
Если денная кривая видности есть итог приспособления глаза к солнечному свету, рассеянному атмосферой, зеленью и пр., то, казалось бы, мы вправе ожидать, что «ночная» кривая приспособлена к ночному небу. Свечение ночного неба (если на нем нет Луны, рассеивающей прямой солнечный свет) слагается из света звезд, из ничтожного рассеяния солнечных лучей, даже глубокой ночью слегка проникающих в атмосферу, и, наконец, из собственного свечения неба, составляющего значительную часть общего свечения. Это собственное свечение неба объясняется излучением атомов кислорода и азота в верхних слоях атмосферы. Спектр ночного свечения неба линейчатый, в особенности ярка зеленая линия с длиной волны 558 mµ. Собственное свечение неба достигает максимума около полуночи. Однако в вопросе о приспособленности «ночной» кривой видности к ночному небу до сего времени остаются некоторые трудности. Измерения суммарного распределения энергии света от звезд и от свечения неба еще недостаточны. По опытам П. П. Феофилова, произведенным зимою 1941 года, суммарное распределение энергии ночного неба оказалось эквивалентным черному излучателю с температурой 400°, т. е. было краснее, а не синее, как ожидалось. Измерения эти не могут, однако, считаться общезначимыми, они должны быть повторены и расширены на разные места Земли и времена года. Кроме того, еще раз важно подчеркнуть, что для глаза в трудных ночных условиях еще более чем в денных, важно не само зрительное ощущение, а возможность различения окружающих предметов одного от другого. Эти вопросы изучены еще очень мало. Нельзя думать, что перемещение кривой ночного видения в сторону коротких волн случайно. В соответствии со всем ходом развития живого естественно предположить, что указанное перемещение кривой ночной видности способствует увеличению различительной способности глаза в ночных условиях.
В отличие от глаза, который должен видеть, лист растения должен усваивать световую энергию для химических превращений. Это находит свое выражение в спектральном расположении кривой фотохимической чувствительности зеленого растения. На рисунке 36 площадью III отмечена основная кривая поглощения зеленого красящего вещества растений – хлорофилла. Ее максимум резко сдвинут по отношению к кривой дневной видности в сторону длинных волн. Насколько это биологически целесообразно, почему в данном случае выгоднее длинные волны?
Вернемся к основному фотохимическому закону, о котором мы говорили в главе о свете. Мы видели, что для осуществления химического превращения в молекуле необходимо поглотить один квант hν. Этот квант, конечно, должен по своей энергии превышать некоторую минимальную величину hν0, требующуюся для химического разложения, иначе реакция не пойдет. Поэтому ясно, что под действием инфракрасных лучей химические процессы мало вероятны.
С другой стороны, разложение может быть осуществлено всеми поглощающимися квантами hν, энергия которых больше hν0. Однако, сколь бы велика ни была энергия кванта, он будет поглощен только одной молекулой и произведет то же, что и квант с относительно малой энергией, но превышающей энергию hν0. Отсюда ясно, что фотохимически для растения наиболее выгодны кванты с наименьшей энергией (но большей hν0), т. е. с наибольшей допустимой длиной волны.
Если теперь принять во внимание кривую среднего распределения солнечного света, изображенную на рисунке 36 (верхняя кривая), то очевидно, что в равномерном участке между 450 и 650 mµ наиболее выгодно расположить кривую хлорофилла в области 600–700 mµ, где она действительно и находится.
Когда фотографу нужно переместить максимум спектральной чувствительности пластинки из одной области в другую, он прокрашивает светочувствительный слой разными органическими красителями – «сенсибилизаторами», получая таким образом фотографические слои, особо чувствительные, смотря по надобности, к красным, желтым, зеленым лучам. Совершенно то же, как мы убедились, происходит и в природе, причем сенсибилизаторами служат зрительный пурпур и хлорофилл.
Форма кривой видности имеет огромное значение для осветительной техники. В большинстве искусственных источников света используется излучение при нагревании (свечи, керосиновые лампы, лампочки накаливания и т. д.); в этом излучении только часть лучей видима, остальные бесследно пропадают для глаза. Если повышать температуру тела с черной поверхностью, то все бо́льшие порции лучистой энергии переходят из инфракрасной области в видимую, источник света становится выгоднее. Однако так будет продолжаться не всегда. При повышении температуры одновременно часть лучистой энергии перекачивает в невидимую ультрафиолетовую область. Теоретически возможно достигнуть таких температур, когда огромная часть лучистой энергии перейдет в невидимую область ультрафиолетовых и рентгеновых лучей. Значит, существует некоторая наивыгоднейшая для глаза температура накала источника света. Какова она?
Таблица 3
В таблице 3 указан процент лучистой энергии, проявляющейся как видимый свет для разных температур.
Мы видим, что наивыгоднейшей температурой будет 6000°, когда половина всей энергии превращается в видимый свет. Но это температура Солнца! Какая же связь имеется между излучением Солнца, черным телом и глазом? Не случайность ли найденное совпадение? После того что мы узнали о свете, Солнце и глазе, после того как для нас становится несомненным, что глаз развился вследствие существования Солнца, в известном смысле для Солнца и под действием Солнца, найденная связь становится вполне естественной и необходимой. И Солнце, и светящееся черное тело наблюдаются одним и тем же глазом. Но глаз приспособился к Солнцу, поэтому для него подобие спектра искусственного источника спектру Солнца есть наиболее совершенное решение задачи.
Как же разбирается глаз в спектральном составе света? Пока мы убедились только, что глаз совершенно не чувствует большинства спектральных областей, а в видимой области одни лучи кажутся ему ярче, другие слабее. Подберем яркости красного и синего света примерно одинаковыми; мы знаем, что глаз безошибочно тем не менее отличит одни лучи от других. Значит, помимо величины ощущения глаз имеет и другую возможность разбираться в спектральном составе света. В солнечном спектре глаз различает семь радужных цветов и оттенки, число которых колеблется для разных наблюдателей до нескольких сотен. Для того чтобы точно выразить способность глаза к различению цветов, можно поступить следующим образом. Будем сравнивать два соседних участка непрерывного спектра и наблюдать, на сколько миллимикронов можно изменить одну из сравниваемых областей, прежде чем глаз заметит разницу в окраске. Эта наибольшая разность длин волн в миллимикронах и может характеризовать способность различения в данной спектральной области. На рисунке 37 дана кривая различительной способности глаза, полученная таким способом. По горизонтальной оси нанесены длины волн, а по вертикальной – наибольшие допустимые разности длин волн, при которых глаз еще не замечает разности в окраске. Кривая имеет очень сложный вид. Она все же дает некоторое обоснование нашему субъективному делению спектра на радужные цвета. Все минимумы и максимумы этой кривой можно рассматривать как своего рода знаки границ между радужными цветами. Таким образом, около 445 mµ находится граница между фиолетовым и синим, у 460 mµ – граница между синим и голубым, у 500 mµ – между голубым и зеленым, у 540 mµ – между зеленым и желтым, у 600 mµ – между желтым и оранжевым. Далее, в красную область измерения не проводились.
Рис. 37
Кривая спектральной различительной способности глаза
Способностью различать цвета обладают только колбочки; при сумеречном зрении палочками краски в спектре исчезают, все кажется белесоватым. По отсутствию колбочек в сетчатке глаз сов, ночных мышей и рыб можно думать, что они не обладают цветным зрением. Мир видится им как однотонный фотографический снимок – сочетание белого и черного. Человеческий глаз имеет два разных светочувствительных аппарата. Один подобен цветной фотографии, мало чувствителен и применяется днем, другой – сумеречный или ночной, похож на однотонную, но зато крайне чувствительную обыкновенную фотографию.
Способность глаза различать цвета не может, впрочем, соперничать со спектральным анализом. Если свет пространственно разложен на простые лучи, то по разности окраски глаз довольно резко отличает одни лучи от других. Но глаз нетрудно обмануть. Можно воспроизвести любой спектральный чистый цвет, смешав три других простых цвета, например красный, зеленый и фиолетовый, в разных пропорциях. На этом основаны простейшие цветные фотография и кино.
С окрашенного предмета делают три обыкновенных снимка через цветные стекла (светофильтры) – красное, зеленое и фиолетовое. Все три негатива имеют обычный вид; с них получают фотографические отпечатки на стекле (диапозитивы). Разница трех диапозитивов в том, что на один действовали преимущественно красные лучи, на другой – зеленые, на третий – фиолетовые; поэтому светотень распределяется на снимках по-разному. Диапозитивы окрашивают в цвет того стекла, через которое они были сняты. Если теперь навести световые пучки трех проекционных фонарей на одно место экрана и вставить в фонари прокрашенные диапозитивы, то красное, зеленое и фиолетовое изображения наложатся друг на друга, в результате чего на экране появится снятый предмет во всех натуральных цветах. Из трех цветов получатся все остальные. Если, например, одна часть снимаемого предмета была белой, то от нее в аппарат пройдут лучи через все три стекла. Поэтому при сложении цветов на экране в этом месте будут накладываться друг на друга красный, зеленый и фиолетовый цвета; вместе они дают для глаза белую окраску. Если часть предмета была желтой, то лучи от нее пройдут через красное и зеленое стекла, но не пройдут через синее; на синем диапозитиве в этом месте будет черное пятно, не пропускающее света. В итоге на экран попадут только красный и зеленый цвета, которые вместе для глаза создают впечатление желтого и т. д. Современная цветная фотография по своей технике много сложнее описанного простого приема. Однако во всех так называемых «аддитивных» методах мы имеем по существу тот же принцип.