• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
16 мая
ПНИПУ
342

Старые фото и третий глаз: ученые Пермского Политеха рассказали о свойствах света

4.4

В Международный день света, 16 мая, ученые Пермского Политеха рассказали, почему глаза у человека на фото становятся красными, а у кошек — зелеными, что случилось с фоторецепторами дальтоников, зачем животным «третий» глаз, откуда у света масса и способность «давить», можно ли звук превратить в свечение и существуют ли частицы, которые двигаются быстрее скорости света.

Ученые Пермского Политеха рассказали о свойствах света / © Raimon Klavins, Unsplash

«Цветовое зрение, то есть способность глаза различать цвета, основано на его способности ощущать различия в спектральном составе видимых излучений. Таким образом, ключевым участником процесса цветоощущения является зрительная сенсорная система живого организма, включающая точный и тонко настроенный «прибор» (глаз), который воспринимает электромагнитные лучи с помощью специальных фоторецепторов (сенсорных нейронов)», — рассказывает Ольга Красных, кандидат химических наук, доцент кафедры химических технологий ПНИПУ.

В результате поглощения таким рецептором кванта света происходит фотохимическая реакция. В ходе работы сложной сопряженной системы клеток и органов сигнал, генерируемый фоторецепторами, преобразуется в зрительные ощущения. Так формируются образы окружающей действительности, которые обладают не только формой, размером, но и цветом. При этом результат зависит от характеристик электромагнитной волны, типа задействованных фоторецепторов (у млекопитающих, например, это «палочки», «колбочки», а также сравнительно недавно открытые светочувствительные ганглиозные клетки сетчатки глаза), работы специализированных нейронов, нервов и состояния принимающего и обрабатывающего сигнал участка головного мозга.

Этот процесс чрезвычайно сложный, и каждая стадия может повлиять на результат. Но разнообразие в цвете для человека определяется, прежде всего, длиной волны падающего на фоторецептор светового излучения.

Человек не различает цвета — в чем причина?

Ольга Красных отмечает, что каждый фоторецептор «работает» в заданном интервале длин волн, то есть обеспечивает чувствительность организма к определенной части спектра и к возникновению ощущения конкретного цвета. Так, у человека за восприятие цвета отвечают в основном три типа «колбочек», чувствительных к фиолетово-синей, зелено-желтой и желто-красной частям спектра. Если по какой-то причине хотя бы один из рецепторов функционирует не должным образом или совершенно выключен из работы, то данный участок электромагнитного излучения не будет восприниматься организмом. Поэтому ощущение цвета, отвечающее за этот интервал, будет отсутствовать. Такое нарушение, часто наследственное, лежит в основе аномалии зрения — дальтонизма.

Почему у существ, живущих на Земле, зрительный аппарат так сильно различается?

Разнообразие жизни на Земле обусловило соответствующее разнообразие органов зрения. Главная их функция — помогать живому организму ориентироваться в пространстве. А различаются они в зависимости от уровня организации, среды обитания, образа жизни и других факторов. Например, дождевой червь «видит» благодаря фоторецепторным клеткам, которые находятся в большинстве частей эпидермиса и позволяют ему отличать свет и тень.

Глаза большинства земноводных — парный орган, позволяющий различать цвета, а также воспринимать излучение в УФ-области. Благодаря анатомии глаза поле зрения многих представителей бесхвостых земноводных увеличивается до 360°. При этом остается довольно большой сектор, где зрение бинокулярно, то есть дает возможность оценивать размеры, расстояния и успешно фиксировать движущиеся предметы (добычу).

«У большого количества бесхвостых земноводных, рыб и рептилий кроме обычной пары глаз присутствует непарный светочувствительный орган — теменной (или третий) глаз. Он расположен на макушке и выглядит как «ямка», заросшая кожей. Этот орган способен улавливать фотоны и оценивать интенсивность светового потока, при этом изображения он не дает. Известно, что теменной глаз может реагировать на широкий диапазон длин волн: от ультрафиолетового до красного. Более того, этот орган особо чувствителен к поляризации света и позволяет определять положение солнца на небе даже в пасмурную погоду. Так животные с высокой точностью определяют время рассвета и заката», — рассказывает Ольга Красных.

Почему на старых фотографиях глаза получались красными?

«Такой эффект достигался попаданием на пленку света, отраженного от глазного дна. Поскольку на нем множество кровеносных сосудов, свет получался красным. При этом натуральный цвет глаз человека не важен — отблеск в любом случае будет красным, — отмечает Константин Латкин, старший преподаватель кафедры общей физики ПНИПУ.

Есть и другая теория: эффект «красных глаз» достигается за счет отражения фотовспышки от сетчатки глаза. У человека она лучше поглощает коротковолновую область светового спектра, и потому красная, длинноволновая, больше отражается. У животных отраженный через зрачок свет может иметь другой оттенок. Так, например, у кошек возникает эффект «зеленых» глаз благодаря особому слою, который делает их зрение острее в темноте».

Как звук превращается в свет?

«Звук — это колебания плотности, распространяющиеся в упругой среде. В прямом смысле превратить их в свет нельзя. Но эти колебания указывают наличие в ней деформаций, а деформация некоторых веществ (кварца, цинковой обманки и других пьезоэлектриков) приводит к возникновению на их поверхности электрических зарядов, которые могут создать искру. А искра — это электромагнитная волна, то есть свет», — рассказывает Дмитрий Баяндин.

Как добавляет Константин Латкин, любое тело состоит из молекул и атомов, которые колеблются и передают это движение соседним частицам. Энергию этого движения мы определяем температурой. Передача этих колебаний от частицы к частице очень похожа на распространение звука. С точки зрения физики, между этими двумя явлениями нет больших различий. То есть в любом нагретом теле очень много звуков, которые просто не могут быть распознаны человеческим ухом. Значит, свет от сильно нагретых тел создан своего рода сложными внутренними звуками материала.

С помощью звука возможно также управлять светом. Например, в акусто-оптических датчиках звуковая волна выступает в роли слабого зеркала. А при бриллюэновском рассеянии звук способен изменить цвет света — частоту и длину волны.

Почему свет, не обладая массой, оказывает давление?

С квантовой точки зрения, свет — это поток частиц (фотонов), которые принципиально не могут быть в состоянии покоя и перемещаются со скоростью, называемой скоростью света. Раз фотон находится в постоянном движении, у него нет массы в привычном, бытовом смысле. Но есть энергия и импульс. Передавая освещаемой поверхности импульс, поток фотонов создает давление на эту поверхность.

«И все же «невесомому» фотону можно присвоить массу, если воспользоваться формулой теории относительности Е=mc2. Масса фотона отсюда равна его энергии, деленной на квадрат скорости света. Чем больше частота фотона (вспомним, что свет является также электромагнитной волной), тем больше его масса», — добавляет Дмитрий Баяндин, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики ПНИПУ.

Может ли частица с массой достичь скорости света?

«Ученым удалось разогнать электрон до 99,999999995 процентов от скорости света. При этом частица, обладающая массой, не может достигнуть скорости света. Это ограничение описано в специальной теории относительности Альберта Эйнштейна: для разгона массивной частицы каждый раз будет требоваться все больше энергии, а скорость света так и не будет достигнута. Это и происходит в экспериментах по разгону электрона. Кстати, увеличивают его скорость с помощью искусственно созданных электрических полей, а направление задают — с помощью магнитных», — рассказывает Константин Латкин,

Есть частицы, которые движутся быстрее скорости света — тахионы?

«Тахионы появились поначалу как плоды «игр разума». Физики около ста лет пытаются построить теорию, которая объединяла бы и объясняла многообразие элементарных частиц и четыре типа их взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое ядерное. За прошедшие десятилетия были разработаны квантовая электродинамика, электрослабая теория, теория великого объединения, предпринимаются попытки создания «теории всего». В основе их всех лежат идеи квантовой механики и теории относительности. Например, для выполнения известных соотношений теории относительности тахионы должны не просто иметь возможность двигаться быстрее света — они не имеют права двигаться медленнее света. При замедлении тахионов (но до скорости, превышающей скорость света) их энергия не уменьшается, а увеличивается», — объясняет Дмитрий Баяндин.

Тахионы также существуют в теории струн: все частицы (включая предполагаемые) в четырехмерном пространстве-времени являются лишь колебанием «струн», из которых состоит все вокруг. Все эти теоретические построения демонстрируют некие модели устройства мира, но не все могут предложить эксперименты, подтверждающие их истинность. Потому и остаются красивыми моделями, а не теориями в полном смысле слова. То же самое можно сказать о тахионах — теоретические модели есть, но частицы не обнаружены, и даже непонятно, как их найти.

Получится ли замедлить и полностью остановить свет?

«Скорость света в вакууме — фундаментальная постоянная. С этой скоростью распространяется не только свет, но и гравитационное поле. Мы знаем, что свет от Солнца достигает Земли примерно за 8 минут. Если неожиданно из нашей системы исчезнет Солнце, то и гравитационное поле звезды в области Земли исчезнет вместе с последними лучами. Так как свет — электромагнитная волна, то он может взаимодействовать с заряженными частицами, протонами и электронами. Свет, попадая в любой материал, замедляется, словно «увязает» в нем. Например, в воде скорость света уменьшается в 1,33 раза. Сильно замедлить или вообще остановить свет не получится. Это волна, которая существует только в движении», — объясняет Константин Латкин.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Вчера, 12:38
ПНИПУ

Происхождение нефти и газа стали изучать еще до возникновения нефтяной промышленности. О генезисе важных ресурсов до сих пор нет единого мнения. Ученые Пермского Политеха рассказали, откуда они взялись на нашей планете, возможна ли их добыча в космосе, как нефть используется в продуктах питания и что такое «дверь в преисподнюю».

Вчера, 08:35
Полина Меньшова

Ледник Туэйтса в Западной Антарктиде, который также называют «ледником Судного дня», может растаять раньше, чем считали ученые. Теплые океанские воды воздействуют на него сильнее, чем предполагалось, показали новые спутниковые данные.

Позавчера, 16:56
Андрей

Группа энтомологов решила уточнить, откуда происходят предки современных рыжих тараканов и каким образом те захватили человеческие жилища почти на всех континентах. Для этого ученые секвенировали ДНК примерно 300 насекомых и смоделировали наиболее вероятные сценарии расселения на основе генетической информации.

20 мая
Полина Меньшова

Британский учитель географии Грэм Сеньор работал в саду и случайно обнаружил в земле небольшой прямоугольный камень. Оказалось, что на артефакте высечен текст, написанный с помощью древнего кельтского алфавита огам.

Позавчера, 16:56
Андрей

Группа энтомологов решила уточнить, откуда происходят предки современных рыжих тараканов и каким образом те захватили человеческие жилища почти на всех континентах. Для этого ученые секвенировали ДНК примерно 300 насекомых и смоделировали наиболее вероятные сценарии расселения на основе генетической информации.

18 мая
Полина Меньшова

При гипертонии пациентам рекомендуют аэробные тренировки, включающие в себя, например, ходьбу, бег, танцы, езду на велосипеде. Но такая физическая нагрузка положительно влияет на артериальное давление только в вечернее время, выяснили физиологи из Бразилии и США.

24 апреля
Ольга Иванова

Ученые из Австралии и Канады пришли к выводу, что подавляющее большинство одиноких людей не вступает в романтические отношения из-за страха. С одной стороны ими руководят опасения, что их отвергнут, с другой — что они потеряют свою независимость.

15 мая
НИУ ВШЭ

Международный коллектив исследователей при участии ученых из Института когнитивных нейронаук НИУ ВШЭ изучил, как выбор иностранного языка влияет на когнитивные способности человека. Оказалось, что языки, непохожие на родной, стимулируют когнитивную функцию на начальном этапе их изучения, а близкие к родному имеют отложенный эффект и помогают мозгу эффективнее работать при более высоком уровне владения иностранным языком.

3 мая
Василий Парфенов

Ледяной покров Антарктики претерпевает значительные изменения на протяжении года, и его поведение хорошо изучено в общем. Но некоторые локальные аномалии объяснить не получается вот уже несколько десятилетий. Одна из них — полынья возвышения Мод, или полынья моря Уэдделла, которая появляется нерегулярно на одном и том же месте. Международная команда океанологов, наконец, смогла разгадать механизмы ее образования.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: