3a. Излучение. Волны. Кванты - Ричард Фейнман

(34.24),

Мы уже знаем, что свет переносит с собой энергию. Теперь мы приходим к выводу, что свет несет также и импульс и, кроме того, импульс световой волны всегда равен энергии, деленной на с.

И наоборот, при испускании света источник испытывает отдачу. Если атом излучает энергию W в некотором направ­лении, возникает импульс отдачи р = W/c. Пучок света, па­дающий по нормали к зеркалу, при отражении сообщает зеркалу в два раза большую силу.

Все сказанное находится в рамках классической теории света. Мы, конечно, знаем, что существует квантовая теория и что свет во многих отношениях ведет себя как частица. Энергия света — частицы — равна частоте, умноженной на постоян­ную

(34.25)

Раз свет переносит импульс, равный энергии, деленной на с, то эффективные частицы, фотоны, несут импульс

(34.26)

Направление импульса совпадает, разумеется, с направлением распространения света. Следовательно, можно записать это в векторной форме

(34.27)

Мы знаем также, что энергия и импульс частицы образуют четырехвектор. Мы уже выяснили, что со и k тоже составляют четырехвектор. И очень хорошо, что в оба равенства (34.27) входит одна и та же константа; это означает, что квантовая теория и теория относительности согласуются друг с другом.

Уравнению (34.27) можно придать более элегантный вид: р =fik (релятивистское уравнение для частицы, которая со­поставляется волне). Хотя это соотношение написано нами для фотонов, у которых k (модуль k) равно со/с, а р = W/c, на самом деле оно имеет гораздо более общий характер. В квантовой механике все частицы, а не только фотоны проявляют волновые свойства, причем частота и волновое число соответствующих волн связаны с энергией и импульсом частицы соотношениями (34.27) (они называются соотношениями де-Бройля), даже в случае р, не равного W1с.

В предыдущей главе мы видели, что свет с- правой и левой круговой поляризацией также переносит момент количества движения, по величине пропорциональный энергии $ волны. С квантовой точки зрения пучок света с круговой поляризацией представляется в виде потока фотонов, каждый из которых несет момент количества движения i/t, направленный по или против движения. Вы видите, во что превращается поляризация с кор­пускулярной точки зрения — фотоны обладают моментом ко­личества движения, как вращающиеся пули винтовки. Но кар­тина с «пулями» столь же не полна, как и «волновая» картина, и нам предстоит обсудить эти представления более подробно в последующих главах, посвященных квантовым явлениям.

Глава 35

ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ

§ 1. Человеческий глаз

§ 3, Цвет зависит от интенсивности

§ 3. Измерение восприятия цвета

§ 4:. Диаграмма цветности

§ 5. Механизм цветового зрения

§ 6. Физико-хими­ческие свойства цветового зрения

§ 1. Человеческий глаз

Явление цвета отчасти обусловлено физи­ческими процессами. Мы уже говорили о цве­товой гамме мыльных пленок, вызванной интер­ференцией. Но цвет, кроме того, связан еще с функцией глаза и с тем, что происходит позади него, т. е. с деятельностью мозга. Физика изучает поведение света, пока он на­ходится вне человеческого глаза, а наши ощу­щения, после того как свет попал в глаз, возни­кают в результате фотохимических и нервных процессов, а также психологических рефлексов.

С восприятием света связано множество интересных явлений, в которых тесно пере­плетаются и физические, и физиологические процессы, так что познавание явлений при­роды, воспринимаемых через зрение, выходит за рамки физики как таковой. Мы не станем извиняться за то, что собираемся несколько вторгнуться в другие области науки, потому что, как мы уже подчеркивали, науки разде­лены не естественным путем, а лишь из сооб­ражений удобства. Природа вовсе не заинте­ресована в подобном разделении, и многие интересные явления лежат именно на стыке разных областей науки.

В гл. 3 мы в общих чертах говорили о связях физики с другими науками; теперь мы хотим более подробно исследовать ту область явле­ний, где физика и другие науки исключительно тесно связаны между собой. Эта область — вос­приятие света, зрение. Особое внимание мы уделим цветовому зрению. В этой главе мы в основном будем говорить о явлениях, связанных со зрением человека; следующая глава будет посвящена физиологи­ческим аспектам зрения как у человека, так и у животных.

Фиг. 35.1. Строение глаза

Зрение начинается с гла­за; чтобы понять, как мы видим, нужно разобраться в устройстве самого глаза. В следующей главе мы довольно подробно будем говорить о функции отдель­ных частей глаза и их связи с нервной системой. А пока кратко опишем, как функционирует глаз.

Свет попадает в глаз через роговицу (фиг. 35.1); мы уже рас­сказывали раньше, как свет преломляется и отображается на зад­ней поверхности глаза, на слое, который называется сетчаткой; разные части сетчатки воспринимают лучи от различных областей поля зрения вне глаза. Сетчатка не вполне однородна: в ее центре есть участок — пятно, который мы используем, когда нам необходимо видеть предметы особенно четко; в этом участ­ке острота зрения особенно велика, называется он — желтое пятно, или центральная ямка. Легко убедиться непосредствен­но на опыте, что боковые участки глаза различают детали рассматриваемого предмета не столь эффективно, как централь­ный участок. В сетчатке имеется еще один участок, где зритель­ные нервы, несущие всю информацию, собираются вместе и выходят из глаза; этот участок называется слепым пятном. Сетчатка там не имеет чувствительности, и если, например, закрыть левый глаз и посмотреть перед собой, а затем медленно отодвигать палец (или другой небольшой предмет) из поля зре­ния, то в каком-то месте поля зрения этот предмет неожиданно исчезнет. Известен пока лишь один случай, когда из этого эф­фекта была извлечена реальная польза. Один физиолог, пока­завший действие слепого пятна, стал любимцем при дворе французского короля; на утомительных заседаниях со своими придворными король развлекался, «отрубая им головы»: он смотрел на одного из них и следил, как в это время «исчезала» голова другого.

Фиг. 35.2, Структура сетчатки (свет входит снизу}

На фиг. 35.2 в увеличенном масштабе показана структура сетчатки. Различные части сетчатки имеют разную структуру. На периферических частях сетчатки наиболее часто встречаются удлиненные объекты, называемые палочками. Ближе к желтому пятну, кроме палочек, попадаются еще колбочки. Позже мы опишем структуру этих элементов. Чем ближе к желтому пят­ну, тем больше становится колбочек, а в самом желтом пятне фактически имеются одни только колбочки, лежащие столь тесно, что здесь они много мельче, или уже, чем в других местах сетчатки. Следовательно, в центре поля зрения мы видим с помощью колбочек, а на периферии в восприятии света участ­вуют палочки. Интересно, что любая чувствительная к свету клетка в сетчатке не связана со зрительным нервом непо­средственно, а соединена с другими клетками, которые в свою очередь соединены между собой. Существует несколько типов клеток: одни несут информацию к зрительному нерву, а другие связаны между собой в основном в «горизонтальном» направлении. Всего имеется четыре типа клеток, но мы сейчас не будем об этом говорить подробно, а только подчеркнем основ­ную идею: что световой сигнал уже на этом этапе «продумыва­ется». Иначе говоря, информация, полученная от различных клеток, не сразу поступает в мозг от каждой точки в отдель­ности, а частично осмысливается в сетчатке путем комбиниро­вания информации от нескольких зрительных рецепторов. Важ­но понять, что сам глаз выполняет часть функций осмысливания, свойственных головному мозгу.

§ 2. Цвет зависит от интенсивности

Одним из самых примечательных свойств зрения является способность глаза привыкать (адаптироваться) к темноте. Когда из ярко освещенной комнаты мы входим в темную, то некоторое время мы ничего не видим, и лишь постепенно окружающие предметы начинают вырисовываться все явственнее, и в конце концов мы начинаем замечать то, чего раньше совсем не видели. При очень слабом свете предметы кажутся лишенными окраски. Было установлено, что зрение в условиях темновой адаптации осуществляется почти исключительно с помощью палочек, а в условиях яркого света — с помощью колбочек. В результате мы распознаем целый ряд явлений, связанных с передачей функции зрения от палочек и колбочек, действующих совмест­но, к одним только палочкам.