Ми можемо побачити більше, ніж думаємо. Ні, мова не про примари і не про галюцинації - а про ентоптичні явища, справжні візуальні ефекти, що виникають всередині людського ока. Деякі з них, після деякого тренування, може розгледіти практично будь-хто. Інші можуть побачити - немає худа без добра - тільки люди з поганим зором. Треті ж можуть свідчити про небезпечні зміни в оці. Про те, які здібності можна придбати, уважніше поводячись з даними своєї зорової системи, і які несподівані переваги є у людей, змушених носити окуляри, розповідає фізик Ігор Іванов (-14 на лівому, -15,5 на правому оці).
Побачити кілогерц
На кіноекрані швидко чергуються статичні кадри, але через «інерцію» зору це чергування зливається для нас у безперервний рух. Стандартна кадрова частота кінофільмів - 24 кадри на секунду. Здавалося б, мерехтіння з ще більшою частотою ми ніколи не зможемо «розкласти» на окремі кадри. Як би не так! Людині цілком під силу помітити мерехтіння маленького джерела світла на темному тлі, навіть якщо його частота досягає кілогерця, тобто тисячі разів на секунду.
Щоб було зрозуміліше, як подібні чудеса взагалі можливі, погляньте на картинку нижче. На ній знімок нарядженої ялинки - але зроблений він фотоапаратом, який повертався в момент зйомки. Видно, що одні вогники гірлянд розмазалися в рівні лінії, а інші - в пунктири. Ми виконали розгортку за часом: світло, що прийшло в різні моменти часу, потрапило на різні ділянки кадру. Витримка на цьому знімку становила 1/25 секунди. І оскільки деякі вогники встигли спалахнути і згаснути неповних чотири рази, виходить, що мерехтіли вони з частотою приблизно 150 герц.
Нижче інший подібний знімок: індикатор мобільного телефону на підзарядці (конкретна модель: Sony Xperia XA2 Plus). На цьому знімку з витримкою 1/100 секунди світлодіод встиг мигнути дев'ять разів. Отже, частота мерехтіння - близько 900 герц.
Приблизно те ж саме ви можете побачити і неозброєним поглядом. Для цього вам потрібно не пильно вдивлятися в джерело світла, а посувати погляд з боку в сторону і усвідомити, що в цей момент у вас відобразилося на сітківці. Звичайно, ваше око - не фотоапарат, ви не можете виставити йому певну витримку. Але цього і не потрібно: досить зрозуміти, що ви побачили - суцільну смугу або пунктир? А якщо пунктир - то наскільки частий?
Якщо відразу цей трюк у вас не виходить, спробуйте спочатку в темряві помахати точкою, що світиться перед очима, дивлячись при цьому прямо перед собою. Потім повторіть досвід з нерухомим джерелом, повертаючи голову і дивлячись строго перед собою. А вже потім переходьте до «стрільби» одними тільки очима. Після певного тренування ви зможете впевнено відрізнити суцільний світлодіод від мерехтливого. Потім, накопичивши досвід і порівнюючи «свідчення» власних очей з результатами фотознімків, зауважте різницю в частоті миготіння - скажімо, 50, 200 і тисячу герц. Ви зможете навіть оцінювати на око свердловність сигналу (співвідношення між тривалостями яскравої і темної фази) і амплітудну глибину модуляції. Взявши на озброєння цей метод, ви почнете бачити в навколишньому світі трошки більше, ніж більшість людей. Наприклад, ви зможете навіть визначити, в якій послідовності оновлюються точки, що світяться на світлодіодних табло і біжать рядках: по рядках, по стовпчиках, зліва направо, зверху вниз або навпаки.
Цей візуальний ефект англійською мовою називається phantom array effect і в певних ситуаціях може заважати людині. Існує рекомендація для виробників LED ламп використовувати частоти мерехтіння вище 3 кілогерць для повного усунення можливого ефекту від мерехтіння.
Побачити дифракцію у власному оці
А ось ефект, який особливо легко помітити людям з сильною короткозорістю. Якщо в сутінках або в темряві подивитися на сцену, повну яскравих точкових вогнів, а потім зняти окуляри, то всі яскраві точки розпливуться в більш-менш однорідно пофарбовані кружечки. При моєму зору в -14, кутовий розмір цих кружечків становить 2-3 градуси (місяць на нічному небі розпливається в кілька разів). Це відбувається через те, що кришталик фокусує зображення не на сітківку, а перед нею, і на очне дно зображення потрапляє вже в розфокусованому вигляді. Ті, кому, в силу хорошого зору, така картина недоступна, можуть поглядіти на світ через неправильно сфокусований об'єктив або помилуватися картинами Філіпа Барлоу, написаними якраз в такому стилі.
Потім, якщо уважно придивитися до кружечок (мова йде про міопіка, не про картини!), то в них можна помітити плямисту структуру: дрібні пилинки і розмиви. Деякі ефекти - «літаючі мушки» - виникають через волокони, що плавають прямо в очному яблуку. Це результат деструкції склоподібного тіла. Якщо вони реально заважають зору, вам слід звернутися до офтальмолога, оскільки вони можуть вказувати на інші, далеко не нешкідливі патології. Але крім цього ви побачите світлові візерунки, які можна зморгнути. Вони можуть бути викликані мікроскопічними пилинками на поверхні ока або нерівномірною сльозною плівкою, яка залишається, якщо ви прищурили, а потім знову відкрили очі.
Ці дрібні деталі оточені світлими і темними лініями, що чергуються, - дифракційними кільцями і смугами. Чіткіше і контрастніше всього вони видні в кружечку, отриманому від точкового монохроматичного джерела світла, наприклад, при роздивлянні в темряві зайчика від лазерної указки на далекій стіні. Іноді можна навіть помітити в самому центрі темної пилинки світлу плямку Араго - Пуассона - знаменитий феномен, який підтвердив у XIX столітті хвильову природу світла. Всі ці дифракційні ефекти - прояви хвильової природи світла, і короткозорі люди можуть милуватися ними без будь-яких додаткових інструментів.
Людина-мікроскоп
При сильній короткозорості, крім іншого, різко скорочується відстань комфортного зору. Якщо міопія не супроводжується астигматизмом і не призводить до порушень сітківки, то міопік може без будь-якої напруги розглядати предмети на відстані всього кілька сантиметрів від ока - що для звичайної людини дуже болісно. Так короткозорість відкриває її володареві «ближню зоркість»: він може розглянути дрібні деталі, які більшості смотрящих недоступні. Звичайно, ніяких карколомних рекордів тут не поставиш, але вигоду рази в два отримати можна.
Побачити свої лейкоцити
Якщо дифракцією від мікроскопічних включень можуть щодня милуватися лише короткозорі люди, то це спостереження доступне всім. Погляньте на однорідно освітлений блакитний фон - наприклад, на безхмарне небо. Через якийсь час ви помітите, що на цьому тлі раз пояляються, снують, зникають дрібні і юркі білуваті точки. Певне враження про цей ефект дає анімація нижче.
Бачили таке? Це не галюцинації. Це ваші власні лейкоцити, які снують по найтонших капілярах, які вистилають очне дно. Людське око, незважаючи на його приголомшливість та інші дивовижні здібності, влаштоване дивним чином. Ось у цифровій фотокамері, наприклад, мікроскопічні дроти і контакти розташовані світлочутливої матриці, щоб не заважати світлу. А в оці сітківка немов вивернута навиворіт: світло проходить через шар капілярів і нервових клітин, перш ніж досягти фоторецепторів. І коли лейкоцити проходять по капілярах, вони частково поглинають синє світло, і око встигає це помітити. Цей ефект називається ентоптичним феноменом синього поля.
До речі, до чого обмежуватися одними лише лейкоцитами? Під час огляду очного дна у окуліста ви на короткий час, у світлі лусової лампи, можете вихопити поглядом всю гілкову мережу своїх власних ретинальних кровоносних судин. Аутоофтальмоскопія в найчистішому вигляді!
Сам собі спектрограф
А тепер ще одна суперспроможність очкариків - самостійний спектральний аналіз світла. Очкариком для цього треба бути в буквальному сенсі: робиться це не неозброєним оком, а за допомогою окулярів, і тому ця здатність зникне, як тільки ви перейдете на контактні лінзи. Край очкової лінзи виступає в ролі призми і тому здатний розкладати світловий промінь у спектр. Якщо ви поглянете на джерело світла не прямо, а іскоса, крізь край окулярів, ви побачите картину на зразок цієї, нехай і не настільки яскраву.
Чим сильніше лінза, і чим далі від центру ви скашиваєте очі, тим ширше розійдеться спектр і тим більше спектральних особливостей ви зможете помітити. Я через свої окуляри без проблем відрізняю лампи розжарювання від газових ламп (у перших спектр суцільний), бачу окремі вузькі лінії випромінювання, легко розпізнаю, де монохроматичний жовтий, а де суміш зеленого з червоним. Ну а укупі з розгорткою за часом, з якої ми почали, я навчився одним поглядом виконувати, ні багато ні мало, час-дозволену спектроскопію - аналіз того, як спектр змінюється з часом. У розумних межах, звичайно.
Побачити поляризацію своїми очима
Нарешті, є ще одне дивовижне вміння, доступне практично кожному: здатність бачити лінійно поляризоване світло. Найпростіше його поспостерігати на світлому однорідному тлі екрану ноутбука. Екрани сучасних ноутбуків випускають лінійно поляризоване світло, в чому ви можете легко переконатися, подивившись на екран через окуляри-поляроїди і повернувши головою. А якщо поглянути на однорідний фон без таких окулярів, нахиляючи голову в різні боки, можна еаметити слабкий жовтувато-блакитний хрестик - як на зображенні внизу, тільки поменше. Він вирівняний за напрямом лінійної поляризації.
Цей ентоптичний ефект носить назву феномена Гайдінгера, або щітки Гайдінгера - на честь австрійського мінералогу Вільгельма Гайдінгера, який відзначив і описав його в 1844 році в ході своїх досліджень з двопромінення кристалів. Анотований англійський переклад його публікації з'явився нещодавно в архіві електронних препринтів. Екрану ноутбука у Гайдінгера, звичайно, не було, але в його розпорядженні було поляризоване світло, дивлячись на яке, він і помітив слабкий кольоровий хрестик.
Чутливість людського ока до лінійної поляризації виникає через те, що деякі пігменти сітківки мають дихроїзм, здатність по-різному поглинати світло залежно від його лінійної поляризації. У жовтій плямі, в тій області сітківки, яка відповідальна за центральний, найчіткіший зір, є сонцеподібна структура, шар волокон Генле. Радіально розходяться волокна задають середню орієнтацію і молекулам пігменту. Через це синій колір поглинається злегка по-різному залежно від того, як його поляризація орієнтована відносно молекул пігменту. Тому колбочки, фоточутливі елементи, що дозволяють нам бачити кольори, дають дещо різну картину по різні боки від центральної ямки - області, яку ми відчуваємо, як центр погляду.
Розповідають, що феномен Гайдінгера можна помітити і на ясному блакитному небі. Мені, правда, цього поки домогтися не вдалося. Марсель Міннарт, описуючи це явище у своїй книзі «Світло і колір у природі», наводить рекомендації, як натренуватися бачити цей ефект у небі в напрямку, перпендикулярному сонцю, там, де ступінь лінійної поляризації вище всього. Розповідь про нього можна знайти і в дописі «Поляризоване світло в природі», опублікованій 1984 року в журналі «Наука і життя».
Цей ефект вчені продовжують вивчати і зараз. Кілька років тому було опубліковано систематичне дослідження, в якому були вперше вивчені деякі кількісні закономірності. З'ясувалося, що людина починає помічати ефект, коли ступінь лінійної поляризації перевищує в середньому 56 відсотків. Крім того, в експериментах з поляризації, що повільно повертається, пропонувалося вказати напрямок орієнтації того кольорового хрестика, який вони бачили. Виявилося, що суб'єктивний напрямок далеко не завжди збігався зі справжнім: суб'єктивний відгук був запізним і нелінійним. Мені здається, щось подібне бачу і я сам - нахиляючи голову з боку в бік, я помічаю, як хрестик злегка погойдується в протилежному напрямку.
Між іншим, не виключено, що вікінги, перетинаючи північну Атлантику багато століть тому, теж використовували ефект Гайдінгера. В умовах тривалих сутінків, коли сонце вже сховалося за горизонтом, але зірок ще не видно, або коли сонце ледь зійшло, але ховається в низькому тумані, навігація у відкритому океані стає справою дуже неочевидною. Можливо, роздивляючись небо і визначаючи положення жовтих пелюсток, вікінги відновлювали напрямок на сонці. Суперечки з цього приводу тривають давно, але, принаймні, недавнє дослідження показує, що технічно така форма навігації цілком можлива.
На завершення хочеться додати, що ми перерахували далеко не всі характеристики світла. Чи здатна людина вловлювати окремі фотони? Такі повідомлення з'являлися неодноразово, але, мабуть, остаточний вердикт - так, здатний! - був винесений зовсім недавно, в статті 2016 року. А чи може людина побачити орбітальний кутовий момент світла? Це навряд чи: в людському оці такого аналізатора немає.
Можна уявити собі і квантово-заплутані пари фотонів, що потрапляють у два очі - але, на жаль, реєструвати такі ефекти людина не вміє. Можливо, тільки поки?