Почему человек ночью видит звезды?
Этот вопрос кажется совершенно бессмысленным, но лишь на первый взгляд. В самом деле: человеку не обязательно видеть звезды на небе — без них вполне можно прожить. В космосе множество разных объектов и явлений, но мы их не замечаем без специальной техники.
Одно из незабываемых впечатлений в жизни каждого человека — ясное ночное небо, в черной глубине которого сияют тысячи огоньков — звезды. Они так прекрасны, что даже не возникает желания задуматься — а почему мы их видим? «Ну как же иначе? — удивитесь вы. — Разве можно не видеть звезд?» Очень даже можно! Яркость звезд чрезвычайно мала. Даже у самых ярких среди них она находится вблизи порога чувствительности нашего зрения. Будь этот порог чуть-чуть выше, на небе не было бы ни одной звезды. И при этом наше дневное зрение практически не потеряло бы своего качества. Днем мы бы просто не заметили перемены в своем зрении. Тем не менее эволюция зачем- то дала нам способность видеть звезды. Но зачем? Не для того же, чтобы некоторые из нас занимались астрономией.
Известно, что глаза наших далеких диких предков практически не отличались от наших. И не только глаза: не отличалась и вся центральная нервная система, на периферийной части которой расположены глаза. Значит, наши далекие предки тоже видели звезды. Но в повседневной жизни троглодита звезды уж точно не играли никакой роли. Зачем же Homo sapiens (и не он один) видит эти ночные огоньки? Вспомним, что чувствительности нашего зрения не хватает, например, чтобы увидеть миллионы окружающих звездных систем — галактик. С точки зрения эволюции это вполне закономерно: далекие галактики никак не влияли на жизнь наших предков. Однако мы не замечаем на небе даже астероидов, хотя сотни тысяч этих опасных микропланет носятся буквально у нас под носом, заполняя всю Солнечную систему и представляя для нас определенную угрозу.
Один из важнейших принципов биологической эволюции - экономия ресурсов. Повышение чувствительности наших рецепторов и соответствующее улучшение органов чувств — зрения, слуха или обоняния — требует дополнительных ресурсов, поэтому их чувствительность не поднимается выше того уровня, который необходим для выживания. На протяжении миллионов лет наш глаз испытал множество метаморфоз, пока научился видеть и днем и ночью. Природе пришлось изрядно потрудиться, создавая механизмы адаптации к яркому солнечному свету и механизмы регистрации слабого света звезд. Неужели звездная россыпь на ночном небе имела жизненное значение для предков человека и подобных ему животных?
Оказывается, имела. И вот почему. Ясно, что естественный отбор благоволит к тем, кто видит не только днем, но и ночью, причем не только при луне, но и в безлунную ночь, когда единственным источником света служит само ночное небо. Ведь это только на первый взгляд кажется, что ночное небо совершенно черное. Каждый, кто выглядывал ночью из палатки, знает, что ночное небо не абсолютно темное — оно слабо, но вполне заметно светится! Чтобы в безлунную ночь различать дорогу и силуэт врага или жертвы, минимальная чувствительность зрения должна соответствовать яркости ночного неба.
Астрономы установили, что примерно половина излучения ночного неба — это свет звезд. В большинстве своем это звезды нашей Галактики, но не все, а только те, что удалены от Земли не более чем на 1000 пк (более далекие скрыты за облаками межзвездной пыли). А таких близких и видимых звезд около 100 миллионов. Примерно столько же в сетчатке нашего глаза палочек — клеток, ответственных за темновое зрение. Поэтому далекие звезды не видны по отдельности, а сливаются в сплошной темно-серый фон.
Следует учесть, что разрешающая способность ночного зрения ниже, чем дневного. Причин две. Во-первых, при слабом свете зрачок глаза расширяется, и начинает сказываться сферическая аберрация роговицы и хрусталика, снижающая четкость изображения (в фотографии это соответствует открытой диафрагме объектива). Во-вторых, при низкой освещенности мозг суммирует сигналы от нескольких соседних палочек, чтобы результирующий сигнал стал заметнее: поскольку качество картинки невысокое, эффективный размер «пикселей» можно укрупнить.
Существует простой способ убедиться, что наш глаз умело использует прием «чувствительность за счет качества». Как известно, ясное и четкое изображение возникает только в центре поля зрения. Если мы смотрим на предмет в упор, то видим его мельчайшие детали, но стоит немного отвести взгляд в сторону, как изображение расплывается, и мелкие детали становятся неразличимы. Зато недостаток четкости «бокового зрения» компенсируется его повышенной чувствительностью к свету: часто слабую звезду, невидимую «в упор», удается легко различить боковым зрением, если немного отвести взгляд в сторону.
Итак, в режиме ночного зрения на каждый зрительный элемент сетчатки нашего глаза попадает свет от нескольких далеких звезд, примерно от дюжины. Чтобы изображение близкой звезды проявилось на этом фоне как яркая точка, она должна освещать глаз в десятки раз сильнее этой группы далеких звезд, т. е. в сотни раз сильнее, чем каждая из них в отдельности. Зная фотометрический закон — «освещенность падает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника света», — нетрудно вычислить, что такая «заметная» звезда должна быть раз в 20-30 ближе к нам, чем далекие 100 миллионов звезд фона. Много ли таких близких звезд, да и есть ли они вообще?
Если радиус сферы уменьшить, для определенности скажем, в 25 раз, то ее объем уменьшится в 253 * 15 000 раз. Легко видеть, что из 100 миллионов звезд, равномерно распределенных в пространстве и освещающих наше небо, в этой малой сфере вокруг нас остается около 6000.
Вот так биологическая эволюция и борьба с ночными хищниками за свое существование подарила нам в итоге радость созерцания красоты звездного неба. Не такими уж бесполезными оказались звезды. Они действительно освещают наш ночной мир.
А теперь давайте пофантазируем. Нам, людям, ведущим дневной образ жизни, для пассивной защиты от хищников достаточно глаз, различающих несколько тысяч звезд. Но ведь существуют ночные хищники, для которых темное время суток — это время активной жизни. Их глаза много чувствительнее наших. Вот бы увидеть ночное небо глазами совы!
Оказывается, в принципе это возможно: уже не раз звучали предложения переделать глаз человека, чтобы он стал в сотни раз чувствительнее к свету. Дело в том, что природа не использовала все свои возможности. Наш глаз можно сделать лучше. Для этого нужно заменить простой хрусталик нашего глаза качественной многослойной линзой большего диаметра и перевернуть светочувствительную поверхность
Рис. 3.5. Так мы видим созвездие Орион в хороших условиях наблюдения (чистое и темное загородное небо, идеальное зрение).
Рис. 3.6. Приблизительно так видит это созвездие сова.
глаза — сетчатку, которая сейчас почему-то расположена у нас задней стороной к свету. После этого мы без труда сможем увидеть миллионы звезд Млечного Пути и даже другие далекие галактики. Без всякого телескопа! Правда, человеку со «звездными» глазами днем, скорее
всего, придется ходить в плотных темных очках, спасаясь от яркого солнечного света.
Впрочем, не будем спешить. Возможно, природа когда-нибудь сама изберет этот путь. Если человечество начнет расселяться по планетам Солнечной системы, то на далеких от Солнца планетах смогут жить люди только со «звездными» глазами. А пока. Чтобы насладиться видом звездного неба, нужно чуть-чуть больше узнать об устройстве глаза и использовать некоторые нехитрые приемы.
Наш глаз — поразительный оптический прибор. Он совершенствовался миллионы лет и стал очень чувствительным и зорким. Восприимчивость глаза к слабому свету выше, чем у самой хорошей фотопленки, и практически такая же, как у цифровой фотокамеры. Ночью глаз видит слабые звезды, а днем спокойно переносит яркий солнечный свет, от которого вмиг чернеет любая фотопленка
По четкости изображения с нашим глазом могут тягаться только лучшие фотоаппараты с дорогими объективами. Здоровый глаз различает по отдельности вот эти две точки в тексте (:) с расстояния в
5 м. Попробуйте проверить свои глаза! С такого расстояния угол между этими точкам составляет всего 1-2'.
Разрешающая способность человеческого глаза настолько высока, что позволяет различать детали на поверхности некоторых небесных тел. Первые карты лунной поверхности были составлены еще до изобретения телескопа. Используя природные светофильтры (облака, дым костра, воздушную массу у горизонта), мы без труда различаем крупные пятна на поверхности Солнца. А люди с особенно острым зрением видят спутники Юпитера (это вполне надежный факт) и, возможно, даже фазы Венеры (это не вполне достоверное утверждение).
Глаза нужно беречь, как дорогой прибор. Яркий солнечный свет вреден для зрения: глаза нужно прятать за темными стеклами очков. Ни в коем случае не смотрите на Солнце, особенно через оптические приборы — бинокли и телескопы. Иначе недолго потерять зрение!
К наблюдениям ночного неба глаза нужно подготовить. Выйдя из ярко освещенной комнаты на темную улицу, сразу можно и не разглядеть звезды. Не торопитесь, отойдите от фонарей и ярких окон и подождите минут 5-7, пока глаза привыкнут к темноте, и на небе начнут «появляться» сначала яркие, а затем все более слабые звезды. Полное привыкание к темноте (так называемая темновая адаптация) занимает около получаса.
В заключение этого рассказа о видимости звезд еще раз вспомним, что звездный небосвод играет роль не только в жизни человека. Небо видят все — и животные, и даже растения; но все — по-разному. У каждого живого существа основой зрения служат светочувствительные клетки. Но в остальном конструкция глаз различается очень сильно. У растений и некоторых простых животных вообще нет глаз как
отдельного органа. Например, у дождевого червя одиночные светочувствительные клетки распределены по всей поверхности тела, поэтому он не видит изображения, а лишь чувствует, с какой стороны от него светлее. Днем он может заметить свет неба и определить, что выбрался на поверхность земли, но не более того. А вот на теле пиявки небольшие скопления зрительных клеток окружены с трех сторон темным непрозрачным пигментом, поэтому к зрительным клеткам свет проникает только с одной стороны, и пиявка может заметить движение жертвы или хищника, а возможно, и бегущие по небу облака.
Даже у высокоразвитых животных глаза сильно различаются чувствительностью к свету и четкостью восприятия. Например, у ночных животных — крыс или сов — зрение намного чувствительнее, чем у человека; для них небо усеяно звездами гораздо гуще, чем для нас.
Зато по остроте зрения у человека почти нет соперников. Пожалуй, в этом отношении ему не уступают лишь обезьяны, крысы и хищные птицы. А вот кошка, курица или лошадь видят во много раз менее четко. Что уж говорить о хомячке или пчеле, которые не могут различить даже дисков Луны и Солнца: эти светила кажутся им такими же «точками», как нам звезды или планеты. Кстати, обычный человек не отличит звезду от планеты: они нам кажутся точками одинакового размера. Но встречаются счастливцы с особенно острым зрением, которые видят спутники Юпитера и, кажется, даже Венеру в форме серпа (ведь у нее те же фазы, что и у Луны).
С другой стороны, мелкая пчела или стрекоза хотя и не могут похвастаться особенно резким зрением, зато различают движения в 10-20 раз более быстрые, чем может различить человек. Для человека полет по небу метеора или вспышка молнии длятся мгновение, а для стрекозы это целый кинофильм.
Так что не будем особенно восторгаться своим зрением, а лучше станем его беречь и тренировать. Ведь оно дарит нам такое наслаждение, как созерцание звездного небосвода!
Бондарко В. М., Данилова М. В., Красильников Н. Н., Леушина Л. И., Невская А. А., Шелепин Ю. Е. Пространственное зрение. СПб.: Наука, 1999.
Вавилов С. И. Глаз и Солнце. М.: Наука, 1976.
Линдсей П., Норман Д. Переработка информации у человека. М.: Мир, 1974. Пэдхем Ч., Сондерс Дж. Восприятие света и цвета. М.: Мир, 1978.
Роуз А. Зрение человека и электронное зрение. М.: Мир, 1977.
Роч Ф., Гордон Дж. Свечение ночного неба. М.: Мир, 1977.
Островский М. А., Сакина Н. Л., Федорович И. Б., Чеснов В. М. Физики и световая чувствительность глаза // Природа. 2001. № 6. С. 70-77.