З усіх органів чуття найважливішим для нас є зір
Кількість зірок, видимих оком на нічному небі, в першу чергу визначається пристроєм самого очі: будь зір трохи гостріше, і зірок виявилося б більше, якщо буде трохи слабкіше, і ми б не побачили жодної зірки. Ілюстрація: Олег Сендюрев / «Навколо світу» по фотографії Reid Parham (SXC license)
Здавалося б, людині не обов'язково бачити зірки на небі - без них цілком можна прожити. У космосі безліч різних об'єктів і явищ, але ми їх не помічаємо без спеціальної техніки. Чому ж наше око бачить зірки, причому не дві, чи не двісті і не мільярди, а кілька тисяч? Чи існує цьому розумне пояснення?
Один із незабутніх вражень у житті кожної людини - ясне нічне небо, в чорній глибині якого сяють тисячі вогників - зірки. Вони такі прекрасні, що навіть не виникає бажання задуматися - а чому ми їх бачимо? «Ну, як же інакше? - здивуєтеся ви. - Хіба годі й бачити зірок? »Дуже навіть можна! Яскравість зірок надзвичайно мала. Навіть у самих яскравих серед них вона знаходиться поблизу порогу чутливості нашого зору. Будь цей поріг трохи вище, і на небі не було б жодної зірки. І при цьому наше денне зір практично не втратило б свого якості. Вдень ми б просто не помітили зміни в свій зір. Проте еволюція чогось дала нам здатність бачити зірки. Але навіщо? Чи не для того ж, щоб деякі з нас займалися астрономією ...
Відомо, що очі далеких диких предків людини практично не відрізнялися від наших. І не тільки очі: не відрізнялася і вся центральна нервова система, на периферійній частині якої очі розташовані. Значить, наші далекі предки теж бачили зірки. Але в повсякденному житті троглодита зірки вже точно не грали ніякої ролі. Навіщо ж Homo sapiens (і не він один) бачить ці нічні вогники? Щоб моє здивування було зрозуміліше, нагадаю: чутливості нашого зору не вистачає, наприклад, щоб побачити мільйони зоряних систем - галактик. З точки зору еволюційної теорії, це цілком закономірно: далекі галактики ніяк не впливали на життя наших предків. Але ми не помічаємо на небі навіть астероїдів, хоча сотні тисяч цих небезпечних мікропланет носяться буквально у нас під носом, заповнюючи всю Сонячну систему. А зірки очей людини чомусь бачить, хоча вони нічим нам не загрожують і взагалі (хай вибачать мене астрологи!) Не роблять на нас ніякого впливу. Здатність бачити зірки, здавалося б, ніяк не полегшує нам боротьбу за існування. Або все-таки полегшує?
Сітківка ока, якою її бачить лікар-офтальмолог, чимось нагадує нічне небо в бурю, а жовта пляма з колбами - бліду місяць. Фото (Creative Commons license): Eliya
Один з найважливіших принципів біологічної еволюції - економія ресурсів. Підвищення чутливості наших рецепторів, і відповідне поліпшення органів почуттів - зору, слуху або нюху - вимагає додаткових ресурсів, тому їх чутливість не піднімається вище того рівня, який забезпечує необхідні еволюційні переваги. Протягом мільйонів років оці довелося випробувати безліч метаморфоз, поки він навчився бачити і вдень і вночі: природі довелося неабияк «попрацювати», створюючи механізми адаптації до яскравого сонячного світла і механізми реєстрації слабкого світла зірок. Невже зоряна розсип на нічному небі мала життєве значення для предків людини і подібних йому тварин?
Виявляється, мала. І ось чому. Ясно, що здатність бачити не тільки вдень, але і вночі - причому не тільки при місяці, але і в безмісячну ніч, коли єдиним джерелом світла служить саме нічне небо, - дає видам важливі переваги в боротьбі за існування. Адже це тільки на перший погляд нічне небо абсолютно чорне. Кожен, хто виглядав вночі з намету, знає, що нічне небо не абсолютно темне - воно слабо, але цілком помітно світиться! Щоб в безмісячну ніч розрізняти дорогу і силует ворога або жертви, мінімальна чутливість зору повинна відповідати яскравості нічного неба.
Астрономи встановили, що приблизно половина випромінювання нічного неба - це розсіяне світло зірок. В більшості своїй це зірки нашої Галактики, причому не всі, а тільки ті, що віддалені від Землі не більше ніж на 3000 світлових років (більш далекі зірки приховані за хмарами міжзоряного пилу). А таких близьких і видимих зірок близько 100 мільйонів. Приблизно стільки ж в сітківці нашого ока світлочутливих елементів - паличок. Тому далекі зірки не видно окремо, а зливаються в суцільний темно-сірий фон. Спробуємо оцінити, скільки зірок у вигляді окремих яскравих точок на цьому тлі зможе побачити наше око.
Небо в безмісячну і безхмарну ніч зовсім чорне. Хоча людський зір і не здатне розрізняти не один мільйон зірок, їх сукупна світіння буває для нього корисно. Фото (Creative Commons license): Stephen Howard
Слід врахувати, що роздільна здатність очі вночі нижче, ніж днем. Причин дві. По-перше, при слабкому світлі зіниця ока розширюється, і починають позначатися дефекти рогівки і кришталика, їх відмінність від ідеальної оптичної форми. Так буває з фотоапаратом, коли його при повністю відкритій діафрагмі не вдається навести на різкість. По-друге, при низькій освітленості мозок підсумовує сигнали від декількох сусідніх паличок, щоб результуючий сигнал став помітніше: оскільки якість картинки невисока, ефективний розмір «пікселів» можна укрупнити.
Існує нескладні спосіб переконатися, що наше око майстерно користується прийомом «чутливість за рахунок якості». Як відомо, ясне і чітке зображення виникає тільки в центрі поля зору. Якщо ми дивимося на предмет в упор, то бачимо його найдрібніші деталі, але варто трохи відвести погляд убік, як зображення розпливається, і дрібні деталі стають невиразні. Зате недолік чіткості «бокового зору» компенсується його більшою чутливістю до світла: часто тьмяну зірку, невидиму «в упор», легко розрізнити боковим зором, якщо трохи відвести погляд убік.
Отже, на кожен зоровий елемент сітківки нашого ока потрапляє світло від декількох далеких зірок, приблизно від дюжини. Щоб зображення близької зірки проявилося на цьому тлі як яскрава точка, вона повинна висвітлювати очей в десятки разів сильніше цієї групи далеких зірок, тобто в сотні разів сильніше, ніж кожна з них окремо. Знаючи основний фотометричний закон - освітленість падає обернено пропорційно квадрату відстані від джерела світла, - неважко обчислити, що така «помітна» зірка повинна бути раз в 20-30 ближче, ніж далекі 100 мільйонів зірок фону. Чи багато таких близьких зірок, та й чи є вони взагалі?
Якщо радіус сфери зменшити, для визначеності скажімо, в 25 разів, то її обсяг зменшиться в 253 ≈ 15 тисяч раз. Легко бачити, що з 100 мільйонів зірок, рівномірно розподілених в просторі і які висвітлюють наше небо, в цій малій сфері навколо нас залишається близько 7000 світил. Саме вони повинні бути помітні для нашого ока як яскраві точки на однорідному фоні нічного неба. Дивно, але наш приблизний розрахунок виявився дуже точний: саме стільки зірок бачить здоровий очей людини на чистому заміському небі. Ось так біологічна еволюція і боротьба з нічними хижаками за своє існування подарувала нам в підсумку радість споглядання краси зоряного неба.
Не такими вже марними виявилися зірки. Вони дійсно висвітлюють наш нічний світ. А тепер давайте пофантазуємо. Нам, людям, які ведуть денний спосіб життя, для пасивного захисту від хижаків досить очей, розрізняють кілька тисяч зірок. Але ж існують нічні хижаки, для яких темний час доби - це час активного життя. Їх очі багато чутливіші наших. От би побачити нічне небо очима сови!
Виявляється, в принципі, це можливо: вже не раз звучали пропозиції переробити очей людини, щоб він став в сотні разів чутливіші до світла. Справа в тому, що природа не використовувала всіх своїх можливостей. Людське око можна значно поліпшити. Для цього потрібно замінити простий кришталик якісної багатошарової лінзою більшого діаметру і перевернути світлочутливу поверхню очі - сітківку, яка зараз чомусь розташована у нас задньою стороною до світла. Після цього ми легко зможемо побачити мільйони зірок Чумацького Шляху і навіть інші далекі галактики. Без всякого телескопа! Правда, людині зі «зоряними» очима днем, швидше за все, доведеться ходити в щільних темних окулярах, рятуючись від яскравого сонячного світла.
Втім, не будемо поспішати. Можливо, природа коли-небудь сама обере цей шлях. Якщо людство почне розселятися по планетам Сонячної системи, то на далеких від Сонця планети зможуть жити люди тільки з «зоряними» очима.
А поки ... Щоб насолодитися видом зоряного неба, потрібно трохи більше дізнатися про будову ока і використовувати деякі нехитрі прийоми.
Наше око - разючий оптичний прилад. Він удосконалювався мільйони років і став дуже чутливим і пильним. Сприйнятливість очі до слабкого світла вище, ніж у самій хорошій фотоплівки і практично така ж, як у дорогий цифрової фотокамери. Вночі око бачить слабкі зірки, а вдень спокійно переносить яскраве сонячне світло, від якого вмить чорніє будь-яка фотоплівка. І тільки дуже дорогі об'єктиви можуть змагатися з нашим оком по чіткості зображення: здорове око розрізняє ці дві точки двокрапки (:) в стандартному друкованому тексті з відстані 3-5 м. А кутова відстань між ними - всього 1-2 кутових хвилини!
А з дорогою технікою і звертатися треба обережно. Яскраве сонячне світло шкідливий для очей: їх треба ховати за темними скельцями окулярів. Ні в якому разі не дивитися прямо на Сонце, особливо через оптичні прилади - біноклі і телескопи. Інакше недовго втратити зір!
До спостереженнями нічного неба очі потрібно підготувати. Вийшовши з яскраво освітленій кімнати на темну вулицю, відразу можна і не розгледіти зірки. Не поспішайте, відійдіть від ліхтарів і яскравих вікон і почекайте хвилин п'ять-сім, поки очі звикнуть до темряви, і на небі почнуть «з'являтися» спочатку яскраві, а потім все більш тьмяні зірки.
Павук-скакун. Очі павукоподібних, комах та інших членистоногих влаштовані зовсім не так, як очі ссавців. І бачать вони відповідно зовсім інше. Фото (Creative Commons license): James Jordan
Не тільки людина бачить небо - його бачать всі тварини і навіть рослини; але все - по-різному. У кожної живої істоти основою зору служать світлочутливі клітини. Але в іншому конструкція очей різниться дуже сильно. У рослин і деяких простих тварин взагалі немає очей як окремого органу. Наприклад, у дощового черв'яка поодинокі світлочутливі клітини розподілені по всій поверхні тіла. Тому він не бачить зображення, а лише відчуває, з якого боку від нього світліше. Вдень він може помітити світло неба і визначити, що вибрався на поверхню землі, але не більше того. А ось на тілі п'явки невеликі скупчення зорових клітин оточені з трьох сторін темним непрозорим пігментом; тому до зорових клітин світло проникає тільки з одного боку, і п'явка може помітити рух жертви або хижака, а можливо, і біжать по небу хмари.
Навіть у високорозвинених тварин очі сильно розрізняються чутливістю до світла і чіткістю сприйняття. Наприклад, у нічних тварин - щурів або сов - зір набагато чутливіші, ніж у людини; для них небо всіяне зірками набагато густіше, ніж для нас.
Зате по гостроті зору у людини майже немає суперників. Мабуть, в цьому відношенні йому не поступаються лише мавпи, щури і хижі птахи. А ось кішка, курка або кінь бачать у багато разів менше чітко. Що вже говорити про хом'ячка або бджолі, які не можуть розрізнити навіть дисків Місяця і Сонця: ці світила здаються їм такими ж «точками», як нам зірки або планети. До речі, звичайна людина не відрізнить звёзду від планети: вони нам здаються точками однакового розміру. Але зустрічаються щасливці з особливо гострим зором, які бачать супутники Юпітера і навіть Венеру в формі серпа (адже у неї ті ж фази, що і в Місяця).
З іншого боку, дрібна бджола або бабка, хоч і не можуть похвалитися особливо різким зором, зате розрізняють руху в 10-20 разів швидші, ніж може розрізнити людина. Для людини політ по небу метеора або спалах блискавки тривають мить, а для бабки це цілий кінофільм.
Так що не будемо особливо захоплюватися своїм зором, а краще станемо його берегти і тренувати. Адже воно дарує нам таку насолоду, як споглядання зоряного небосхилу!
Ще роботи з математики