Как сделать из глаза спектроскоп и какие сверхспособности доступны только «очкарикам»

Мы можем увидеть больше, чем думаем. Нет, речь не о призраках и не о галлюцинациях — а об энтоптических явлениях, настоящих визуальных эффектах, возникающих внутри человеческого глаза. Некоторые из них, после некоторой тренировки, может разглядеть практически любой. Другие могут увидеть — нет худа без добра — только люди с плохим зрением. Третьи же могут свидетельствовать об опасных изменениях в глазу. О том, какие способности можно приобрести, внимательнее обращаясь с данными своей зрительной системы, и какие неожиданные преимущества есть у людей, вынужденных носить очки, рассказывает физик Игорь Иванов (-14 на левом, -15,5 на правом глазу).

Увидеть килогерц

На киноэкране быстро чередуются статические кадры, но из-за «инерции» зрения это чередование сливается для нас в непрерывное движение. Стандартная кадровая частота кинофильмов — 24 кадра в секунду. Казалось бы, мерцание с еще большей частотой мы никогда не сможем «разложить» на отдельные кадры. Как бы не так! Человеку вполне по силам заметить мерцание маленького источника света на темном фоне, даже если его частота достигает килогерца, то есть тысячи раз в секунду.

Чтоб было понятнее, как подобные чудеса вообще возможны, взгляните на картинку ниже. На ней снимок наряженной елки — но сделан он фотоаппаратом, который поворачивался в момент съемки. Видно, что одни огоньки гирлянд размазались в ровные линии, а другие — в пунктиры. Мы выполнили развертку по времени: свет, пришедший в разные моменты времени, попал на разные участки кадра. Выдержка на этом снимке составляла 1/25 секунды. И поскольку некоторые огоньки успели вспыхнуть и погаснуть неполных четыре раза, выходит, что мерцали они с частотой примерно 150 герц. 

Фото наряженной елки поворачивающимся фотоаппаратом   

Ниже другой подобный снимок: индикатор мобильного телефона на подзарядке (конкретная модель: Sony Xperia XA2 Plus). На этом снимке с выдержкой 1/100 секунды светодиод успел мигнут девять раз. Значит, частота мерцания — около 900 герц.

Световой индикатор заряжающегося мобильного телефона, фото в повороте

Примерно то же самое вы можете увидеть и невооруженным взглядом. Для этого вам нужно не пристально всматриваться в источник света, а подвигать взгляд из стороны в сторону и осознать, что в этот момент у вас отобразилось на сетчатке. Конечно, ваш глаз — не фотоаппарат, вы не можете выставить ему определенную выдержку. Но этого и не требуется: достаточно понять, что вы увидели — сплошную полосу или пунктир? А если пунктир — то насколько частый?

Если сразу этот трюк у вас не получается, попробуйте сначала в темноте помахать светящейся точкой перед глазами, смотря при этом прямо перед собой. Затем повторите опыт с неподвижным источником, поворачивая голову и смотря строго перед собой. А уж потом переходите к «стрельбе» одними только глазами. После определенной тренировки вы сможете уверенно отличить сплошной светодиод от мерцающего. Затем, накопив опыт и сравнивая «показания» собственных глаз с результатами фотоснимков, заметите разницу в частоте мигания — скажем, 50, 200 и тысячу герц. Вы сможете даже оценивать на глаз скважность сигнала (соотношение между длительностями яркой и темной фазы) и амплитудную глубину модуляции. Взяв на вооружение этот метод, вы начнете видеть в окружающем мире немножко больше, чем большинство людей. Вы, например, сможете даже определить, в какой последовательности обновляются светящиеся точки на светодиодных табло и бегущих строках: по строчкам, по столбцам, слева направо, сверху вниз или наоборот.

Этот визуальный эффект на английском языке называется phantom array effect и в определенных ситуациях может мешать человеку. Существует рекомендация для производителей LED ламп использовать частоты мерцания выше 3 килогерц для полного устранения возможного эффекта от мерцания.

Увидеть дифракцию в собственном глазу

Огни ночного города при нормальном зрении и при сильной миопии  
А вот эффект, который особенно легко заметить людям с сильной близорукостью. Если в сумерках или в темноте посмотреть на сцену, полную ярких точечных огней, а затем снять очки, то все яркие точки расплывутся в более-менее однородно окрашенные кружочки. При моем зрении в -14, угловой размер этих кружочков составляет 2-3 градуса (луна на ночном небе расплывается в несколько раз). Это происходит из-за того, что хрусталик фокусирует изображение не на сетчатку, а перед ней, и на глазное дно изображение попадает уже в расфокусированном виде. Те, кому, в силу хорошего зрения, такая картина недоступна, могут поглядеть на мир через неправильно сфокусированный объектив или полюбоваться картинами Филипа Барлоу, написанными как раз в таком стиле.
Затем, если внимательно присмотреться к кружочкам (речь идет про миопика, не про картины!), то в них можно заметить пятнистую структуру: мелкие пылинки и размывы. Некоторые эффекты — «летающие мушки» — возникают из-за волокон, плавающих прямо в глазном яблоке. Это результат деструкции стекловидного тела. Если они реально мешают зрению, вам следует обратиться к офтальмологу, поскольку они могут указывать на иные, далеко не безобидные патологии. Но кроме этого вы увидите световые узоры, которые можно сморгнуть. Они могут быть вызваны микроскопическими пылинками на поверхности глаза или неравномерной слезной пленкой, которая остается, если вы прищурили, а затем вновь открыли глаза.

Дифракционные кольца от пылинок включений — либо в толще, либо на поверхности глаза

Эти мелкие детали окружены чередующимися светлыми и темными линиями — дифракционными кольцами и полосами. Четче и контрастнее всего они видны в кружочке, полученном от точечного монохроматического источника света, например, при разглядывании в темноте зайчика от лазерной указки на далекой стене. Иногда можно даже заметить в самом центре темной пылинки светлое пятнышко Араго — Пуассона — знаменитый феномен, подтвердивший в XIX веке волновую природу света. Все эти дифракционные эффекты — проявления волновой природы света, и близорукие люди могут любоваться ими без каких-либо дополнительных инструментов.

Человек-микроскоп

При сильной близорукости, кроме прочего, резко сокращается расстояние комфортного зрения. Если миопия не сопровождается астигматизмом и не приводит к нарушениям сетчатки, то миопик может без какого-либо напряжения рассматривать предметы на расстоянии всего несколько сантиметров от глаза — что для обычного человека очень болезненно. Так близорукость открывает ее обладателю «ближнюю зоркость»: он может рассмотреть мелкие детали, которые большинству смотрящих недоступны. Конечно, никаких сногсшибательных рекордов тут не поставишь, но выгоду раза в два получить можно.

Увидеть свои лейкоциты

Если дифракцией от микроскопических включений могут каждый день любоваться лишь близорукие люди, то это наблюдение доступно всем. Взгляните на однородно освещенный голубой фон — например, на безоблачное небо. Через какое-то время вы заметите, что на этом фоне то и дело пояляются, снуют, исчезают мелкие и юркие беловатые точки. Некоторое впечатление об этом эффекте дает анимация ниже.

Анимация энтоптического феномена синего поля

Видели такое? Это не галлюцинации. Это ваши собственные лейкоциты, которые снуют по тончайшим капиллярам, выстилающим глазное дно. Человеческий глаз, несмотря на его потрясающую чувствительность и прочие удивительные способности, устроен странным образом. Вот в цифровой фотокамере, например, микроскопические провода и контакты расположены позади светочувствительной матрицы, чтобы не мешать свету. А в глазу сетчатка словно вывернута наизнанку: свет проходит через слой капилляров и нервных клеток, прежде чем достичь фоторецепторов. И когда лейкоциты проходят по капиллярам, они частично поглощают синий свет, и глаз успевает это заметить. Этот эффект называется энтоптическим феноменом синего поля.
Кстати, к чему ограничиваться одними лишь лейкоцитами? Во время осмотра глазного дна у окулиста вы на короткое время, в свете щелевой лампы, можете выхватить взглядом всю ветвистую сеть своих собственных ретинальных кровеносных сосудов. Аутоофтальмоскопия в чистейшем виде!

Сам себе спектрограф

А теперь еще одна суперспособность очкариков — самостоятельный спектральный анализ света. Очкариком для этого надо быть в буквальном смысле: делается это не невооруженным глазом, а с помощью очков, и поэтому эта способность исчезнет, как только вы перейдете на контактные линзы. Край очковой линзы выступает в роли призмы и потому способен раскладывать световой луч в спектр. Если вы взглянете на источник света не прямо, а искоса, сквозь край очков, вы увидите картину наподобие этой, пусть и не настолько яркую.

Чем сильнее линза, и чем дальше от центра вы скашиваете глаза, тем шире разойдется спектр и тем больше спектральных особенностей вы сможете заметить. Я через свои очки без проблем отличаю лампы накаливания от газовых ламп (у первых спектр сплошной), вижу отдельные узкие линии излучения, легко распознаю, где монохроматический желтый, а где смесь зеленого с красным. Ну а вкупе с разверткой по времени, с которой мы начали, я научился одним взглядом выполнять, ни много ни мало, время-разрешенную спектроскопию — анализ того, как спектр меняется со временем. В разумных пределах, конечно.

Увидеть поляризацию своими глазами

Наконец, есть еще одно удивительное умение, доступное практически каждому: способность видеть линейно поляризованный свет. Проще всего его пронаблюдать на светлом однородном фоне экрана ноутбука. Экраны современных ноутбуков испускают линейно поляризованный свет, в чем вы можете легко убедиться, посмотрев на экран через очки-поляроиды и повертев головой. А если взглянуть на однородный фон без таких очков, наклоняя голову в разные стороны, можно эаметить слабый желтовато-голубой крестик — как на изображении внизу, только поменьше. Он выровнен по направлению линейной поляризации.

Желто-голубой крестик, который виден на белом фоне при линейной поляризации света

Этот энтоптический эффект носит название феномена Гайдингера, или щётки Гайдингера — в честь австрийского минералога Вильгельма Гайдингера, который отметил и описал его в 1844 году в ходе своих исследований по двулучепреломлению кристаллов. Аннотированный английский перевод его публикации появился недавно в архиве электронных препринтов. Экрана ноутбука у Гайдингера, конечно, не было, но в его распоряжении был поляризованный свет, глядя на который, он и заметил слабый цветной крестик.
Чувствительность человеческого глаза к линейной поляризации возникает из-за того, что некоторые пигменты сетчатки обладают дихроизмом, способностью по-разному поглощать свет в зависимости от его линейной поляризации. В желтом пятне, в той области сетчатки, которая ответственна за центральное, самое четкое зрение, есть солнцеподобная структура, слой волокон Генле. Радиально расходящиеся волокна задают среднюю ориентацию и молекулам пигмента. Из-за этого синий цвет поглощается слегка по-разному в зависимости от того, как его поляризация ориентирована относительно молекул пигмента. Поэтому колбочки, фоточувствительные элементы, позволяющие нам видеть цвета, дают несколько различающуюся картину по разные стороны от центральной ямки — области, которую мы ощущаем, как центр взгляда.

Рассказывают, что феномен Гайдингера можно заметить и на ясном голубом небе. Мне, правда, этого пока добиться не удалось. Марсель Миннарт, описывая это явление в своей книге «Свет и цвет в природе», приводит рекомендации, как натренироваться видеть этот эффект в небе в направлении, перпендикулярном солнцу, там, где степень линейной поляризации выше всего. Рассказ о нем можно найти и в заметке «Поляризованный свет в природе», опубликованной в 1984 году в журнале «Наука и жизнь».

Этот эффект ученые продолжают изучать и сейчас. Несколько лет назад было опубликовано систематическое исследование, в котором были впервые изучены некоторые количественные закономерности. Выяснилось, что человек начинает замечать эффект, когда степень линейной поляризации превышает в среднем 56 процентов. Кроме того, в экспериментах с медленно поворачивающимся направлением поляризации испытуемым предлагалось указать направление ориентации того цветного крестика, который они видели. Оказалось, что субъективное направления далеко не всегда совпадало с настоящим: субъективный отклик был запаздывающим и нелинейным. Мне кажется, нечто подобное вижу и я сам — наклоняя голову из стороны в сторону, я замечаю, как крестик слегка покачивается в противоположном направлении.

Между прочим, не исключено, что викинги, пересекая северную Атлантику много веков назад, тоже использовали эффект Гайдингера. В условиях длительных сумерек, когда солнце уже скрылось за горизонтом, но звезд еще не видно, либо когда солнце едва взошло, но скрывается в низком тумане, навигация в открытом океане становится делом очень неочевидным. Возможно, разглядывая небо и определяя положение желтых лепестков, викинги восстанавливали направление на солнце. Споры по этому поводу идут давно, но, по крайней мере, недавнее исследование показывает, что технически такая форма навигации вполне возможна.

В завершение хочется добавить, что мы перечислили далеко не все характеристики света. Способен ли человек улавливать отдельные фотоны? Такие сообщения появлялись неоднократно, но, по-видимому, окончательный вердикт — да, способен! — был вынесен совсем недавно, в статье 2016 года. А может ли человек увидеть орбитальный угловой момент света? Это вряд ли: в человеческом глазу такого анализатора нет. 

Можно представить себе и квантово-запутанные пары фотонов, попадающие в два глаза — но, увы, регистрировать такие эффекты человек не умеет. Может быть, только пока?