О волновой природе света

О механизмах видения

Пытаясь понять механизм зрения, Леонардо отверг восходящее к Платону представление о том, что из глаз исходят лучи, «ощупывающие» изучаемый объект. Его аргумент против был в том, что если посмотреть ночью на звездное небо, то сразу станет ясно, что лучи из глаза не могут охватить все это множество звезд.

По необходимости все изображения объектов, находящихся перед глазом, пересекаются в двух плоскостях. Первое из пересечений происходит в зрачке, второе в линзе хрусталика… Никакое изображение, даже самого малого объекта, при входе в глаз не может не стать перевернутым; но при дальнейшем прохождении через линзу хрусталика оно переворачивается еще раз и принимает то положение, которое имел объект перед глазом.

Леонардо начал работу с изучения строения изучаемого объекта: «Напиши в своей «Анатомии», в каком отношении стоят друг к другу все сферы глаза и на каком расстоянии от них находится сфера хрусталика». Поскольку при надрезании оболочки глаза его содержимое вытекает, Леонардо использовал оригинальный метод, чтобы обойти это препятствие: «При анатомировании глаза, для того чтобы хорошо разглядеть что внутри, не проливая его влаги, надобно положить глаз в яичный белок, прокипятить и укрепить, разрезая яйцо и глаз поперек, дабы из средней части ничего не вылилось».

К сожалению, в данном случае изобретательность подвела автора. Различие в структуре частей глаза приводит к тому, что хрусталик, представляющий в живом глазе двояковыпуклую линзу, при нагревании превращается практически в шар. Более того, он отходит от роговой оболочки и смещается к центру глаза. Поэтому согласно схеме хода лучей в глазу, предложенной Леонардо, в нем формируется прямое изображение, а не перевернутое, как должно быть в собирающей линзе.

Схема опыта с иглой между глазом и экраном с отверстием: «Пусть большой иглой будет сделано в куске картона отверстие, величиною примерно в просяное зерно, и этот картон поставлен против зрачка глаза на расстоянии трети или четверти локтя. Через это отверстие смотри на воздух. Далее помести иглу или соломинку между зрачком глаза и отверстием в картоне. Двигай эту иглу вниз и вверх, вправо и влево, навстречу твоему зрачку, и ты ясно увидишь в воздухе, что по ту сторону такого отверстия образ этой иглы совершает все движения в направлениях, противоположных тем, что ты производишь…»*

Для проверки своей схемы построения изображения в глазу он предполагал также изготовить большую стеклянную модель глаза с полостью для головы наблюдателя. Кроме того, для этих целей он придумал оригинальный опыт с иголкой, расположенной между глазом и экраном с отверстием.

Рекомендую повторить этот простой и красивый эксперимент, но не с острой иглой, а с портновской булавкой с ушком. Что при этом реально произойдет? Свет, проходящий через малое отверстие в экране, создаст в глазу тень булавки (не просто некий «образ»!), что легко проверить, приклеив на отверстие в булавке кусочек кальки, наполовину закрашенной чернилами. Тень можно получить и на листе бумаги, если установить его на место глаза, и тень при этом будет не перевернутая! Какой же вывод следует из этого эксперимента? Свет, идущий из отверстия, создает на задней поверхности глаза тень, притом прямую, но «чувствилище» (на современном языке — зрительный аппарат мозга) по привычке переворачивает это изображение!

Предложив схему опыта с объектом, перемещающимся перед малым отверстием в экране, установленном перед глазом, Леонардо да Винчи по сути был всего лишь в полушаге от открытия механизма видения. Но, к сожалению, он не смог правильно объяснить свои наблюдения, и открытие было сделано одним из творцов небесной механики И. Кеплером в начале XVII в.

Леонардо впервые обратил внимание на эффект, связанный с восприятием быстротекущих изменений в объекте, — сохранение изображения в течение некоторого времени:

«Сияние света или другого светящегося тела остается в глазу в течение некоторого времени после того, как ты на него смотрел; движение маленькой головешки, быстро вращаемой по кругу, кажется непрерывным и однородным огнем, а движение капель дождя воспринимается как непрерывные нити, ниспадающие из туч».

Леонардо эмпирическим путем установил, как правильно применять собирающие и рассеивающие линзы для коррекции зрения.
О фотометрии

Леонардо да Винчи можно назвать основателем фотометрии – раздела оптики, рассматривающего вопросы освещенности. Он изучал оптические эффекты, возникающие благодаря световому излучению от одного и нескольких источников и зависящие от положения последних относительно объекта и глаза; эффекты прямого и рассеянного света; цветные рефлексы и т. д.

«Все наблюдаемые вещи приходят в глаз линиями пирамиды, и вершина пирамиды находится в середине зрачка…»

Леонардо установил и основные законы фотометрии. Во-первых, это зависимость освещенности тела от угла падения света: «Свет, падающий на затененное тело под самым острым углом, создает самую большую освещенность, а наиболее темной частью тела является та, которая получает свет под большим углом; и свет, и тень образуют пирамиды…».

Во-вторых – зависимость освещенности от расстояния до источника света. Леонардо вывел так называемый «пирамидальный закон», гласящий, что освещенность уменьшается обратно квадрату расстояния от источника света до объекта. Следует отметить, что подобную закономерность он применял при рассмотрении многих других процессов, в частности при описании перспективы, анализе ослабления звука с расстоянием, а также излучения тепла от горячего тела.

Леонардо выделил две стороны проблемы, дав им специальные названия: перспектива цвета (как меняется видимый цвет объекта с увеличением расстояния до него) и перспектива отчетливости (почему границы удаленных объектов видны не столь резко, как близких).

Вот одно из наблюдений, важное для художника-пейзажиста: «Различные цвета, которые сами по себе не голубые, будут на большом расстоянии казаться голубее, и цвета, наиболее далекие от черного, на большом расстоянии почти сохранят свой цвет. Следовательно, зелень полей будет казаться более голубой, а желтый и белый меньше изменятся, чем зеленый, а красный еще меньше».

Сигнальные огни автомобилей и светофоров окрашены в красный цвет именно из-за минимального рассеяния красных лучей в воздухе по сравнению с лучами других цветов из видимой части спектра?

О волновой природе света

Явление дисперсии – разложения солнечного света в спектр –

Кольца на воде от брошенных камней свободно, без заметных последствий, проникают друг через друга. Но ведь такого эффекта никогда не наблюдается при столкновениях твердых тел, водных и воздушных потоков. Обнаруженный эффект является характерной особенностью именно волнового движения.

Вывод о волновой природе звука и света: «Хотя звуки, проникающие сквозь воздух, кругообразно расходятся от своей причины, круги, распространяющиеся от различных исходных точек, встречаются друг с другом без какой бы то ни было помехи и проходят один через другой, всегда сохраняя в качестве центра свою причину».

Если стакан, доверху наполненный водой, на подоконник в затемненной комнате так, что солнечные лучи будут падать на него снаружи, то увидишь образование из солнечных лучей, прошедших через стакан, разноцветных полос на полу под окном. И поскольку глаз здесь не принимал участия, мы можем с уверенностью сказать, что возникновение этих цветных полос никоим образом не связано с глазом»*

Леонардо да Винчи за три столетия до открытия интерференции указал на общую природу таких явлений, как переливающиеся разными цветами перья птиц, радужные цвета на поверхности старых стекол и масляных пленках на поверхности воды

И далее: «В воде при ударе образуются круги вокруг точки удара; голос в воздухе создает то же на больших расстояниях; свет идет еще дальше». «Каждое тело наполняет окружающий воздух своими изображениями, и каждое изображение появляется полностью и со всеми своими частями. Воздух заполнен бесчисленным множеством лучей, которые пересекаются, не смещая друг друга, и которые воспроизводят, где бы их ни принимали, истинную форму своей причины».

Леонардо впервые заметил и подробно описал еще один красивый оптический эффект:
«Глаз, глядящий на ярко освещенное тело, увидит круг, более яркий, чем окружающий воздух… Причина состоит в том, что эта яркость образуется в глазу, а не на самом деле вокруг тела, как кажется… И будет казаться, что отмеченные круги состоят из переходов различных цветов, как в радуге... ».

Оптическое смешение красок в живописи старых мастеров

То, что принято ныне именовать «импрессионизмом», «пуантелизмом», разделением тонов и т. д., не явилось, разумеется, внезапно, а нарождалось медленно и постепенно. Нельзя не заметить его проявления уже в старинной живописи. Так, произведения Тицианат «импрессионистичны», нежели произведения Боттичелли; Рембрандт уже более импрессионист, нежели Тициан; выдающиеся современники Арменини, которые, по его словам, презирали способ лессировки драпировок, потому что им противно было видеть ткани одноцветными... очевидно, стали большими импрессионистами, нежели их предшественники.