Лекция: «Опыты Вавилова»

Вопросы.

1. Роль физиков в решении проблем оптики глаза.
2. Идея эксперимента.
3. Экспериментальная установка.
4. Результаты опытов и их объяснение.

"...мгновенно глаз в состоянии почувствовать очень небольшое число квантов... Пользуясь этим, можно глазом обнаружить прерывистое, квантовое строение света... Глаз, таким образом, действительно "воочию" позволяет убедиться в квантовой, прерывистой структуре света."
C. И. Вавилов

"Биология становится слишком серьезной наукой, чтобы ее можно было доверять биологам", - пошутил кто-то из физиков. Конечно, это несправедливая шутка, но в отношении физиологии зрения в какой-то мере верна. Именно физики сделали первый шаг в решении проблем оптики глаза, цветового зрения, абсолютной световой чувствительности. И это неслучайно, ибо физика, в первую очередь оптика, и физиология зрения тесно связаны.

Геометрическая оптика возникла на заре науки. Она пыталась объяснить законы распространения света и построения изображений при помощи оптических приборов. Ошибка Леонардо да Винчи была неизбежной, когда он пытался законами геометрической оптики объяснить неперевернутость зрительного изображения. Понадобился гений физика И.Кеплера, чтобы, рассмотрев глаз как обычный оптический прибор, прийти к единственно правильному выводу: изображение на сетчатке и перевернутое, и уменьшенное. На вопрос, почему же мир воспринимается неперевернутым, он отвечал: "Я оставил его натурфилософам". Натурфилософы, т.е. физиологи, ответили на него столетиями позже.

Именно Кеплер, который, воздав должное всеми забытому биологу Ф.Платеру, осознал, что светочувствительный орган зрения не хрусталик, а сетчатка. Кеплера по праву следует считать отцом физиологической оптики.

На заре эллинской культуры, еще в V в. до н.э., Эмпедокл предположил, что существуют некие основные цвета, смешение которых создает бесконечное разнообразие цветовых оттенков. Затем И.Ньютон объяснил физику цвета, сознательно оставив в стороне физиологию цветового восприятия. И наконец, физик (медик по образованию) Т.Юнг, открывший явление интерференции, в 1802 г. предложил теорию цветового зрения, согласно которой в глазу человека имеются только три приемника, воспринимающих основные цвета - красный, зеленый и синий. Теорию Юнга забыли на полстолетия. Одновременно и независимо о ней вспомнили два других физика - Дж.К.Максвелл в Шотландии и Г.Гельмгольц в Германии. Создатель электромагнитной теории света Максвелл разработал точные методы измерения цвета, которые применялись до самого последнего времени. Энциклопедист естествоиспытатель Гельмгольц (тоже медик по образованию) существенно развил и утвердил трехкомпонентную теорию Юнга. Такова историческая цепочка: философ Эмпедокл (V в. до н.э.), физики Юнг, Гельмгольц, Максвелл (ХIХ в.). Задача будущего - выяснить клеточные и молекулярные механизмы восприятия цвета, разобраться в генетике и информатике цветового зрения.

В 30-ых годах XX в. выдающийся советский ученый Сергей Иванович Вавилов провел опыты по исследованию чувствительности человеческого глаза к слабым световым потокам.

Если представить свет как совокупность частиц, движущихся в пространстве со скоростью света, то необходимо отметить, что число квантов пересекающих поперечную площадку в потоке, будет непрерывно изменяться со временем (cмотри рисунок). Заметим, что число фотонов в объемах между сечениями одинаково). Особенно это заметно при малых интенсивностях. Вавилов предположил, что глаз человека реагирует на какое-то минимальное число фотонов, которое необходимо для возникновения светового ощущения. Для проверки данного предположения он использовал следующую установку.

Положение головы наблюдателя закреплялось с помощью подбородника таким образом, чтобы во время опыта глаз все время был фиксирован на красную сигнальную лампочку (1) и свет от основной электрической лампы (2) падал на периферию сетчатки. Свет от лампы (2) проходил к глазу через зеленый фильтр (6), нейтральный оптический клин (7) при помощи которого можно было изменять интенсивность светового пучка. Между глазом и лампой располагался вращающийся диск(5) с отверстием, размеры которого обеспечивали кратковременность световых вспышек (0.1 с). Промежуток времени составлял 0,9 с, за который глаз полностью восстанавливал свою способность к восприятию новой вспышки. Наблюдатель отмечал каждую видимую вспышку нажимом ключа. По числу вспышек и прохождений света через отверстия диска, автоматически фиксируемых на бумажной ленте, определяли вероятность видения вспышек.

Результаты эксперимента оказались следующими:

1. При интенсивностях светового пучка значительно превышающих пороговые, каждая вспышка регистрируется наблюдателем.
2. При интенсивности света сравнимой с пороговой наблюдатель то отмечал вспышку, то не замечал ее.
3.  Большинство измерений в опытах было сделано в сине-зеленой области спектра 500-550 нм. В этой области, как следовало из опытов Вавилова и его сотрудников, значения n0, соответствующие порогу на сетчатке, для одного и того же наблюдателя достаточно постоянны, но у разных людей могут быть различны. В работе 1933 г. пороговое число фотонов составило n0 = 47; в работе 1934 г. n0 = 8, а в сводной таблице (по результатам всех опытов в 1932-1941 гг.) n0 = 20.

Объяснение результатов экспериментов:

Число фотонов в отдельных вспышках отличается друг от друга. В результате в некоторых случаях число фотонов, достигающих глаза наблюдателя меньше порогового значения и наблюдатель не видит свет.

Эксперименты по наблюдению изменения интенсивности слабых световых потоков, выполненные С. И. Вавиловым, подтверждают квантовую структуру света.