Физики и световая чувствительность глаза

Установка С.И.Вавилова

Если Харитон решал задачу счета a-частиц, то Вавилов как специалист по оптике и люминесценции изучал флуктуации света. Глаз человека оставался незаменимым оптическим инструментом. Выступая на первой конференции по физиологической оптике, проходившей в Ленинграде в 1934 г., Вавилов говорил: «Исключительная чувствительность глаза в темноте и наличие резкого порога зрительного ощущения дают возможность визуально наблюдать флуктуации светового потока». Еще в 1927 г. в первом издании книги «Глаз и Солнце» он писал:

«…мгновенно глаз в состоянии почувствовать очень небольшое число квантов. <…> Пользуясь этим, можно глазом обнаружить прерывистое, квантовое строение света <…>. Глаз, таким образом, действительно „воочию“ позволяет убедиться в квантовой, прерывистой структуре света. Замечательно, что таким способом определяется не чувствительность глаза как целого, а чувствительность только последних клеток (палочек), ответственных за зрительное возбуждение. Отдельные кванты стали, в буквальном смысле слова, видимыми» [4].

Вавилов здесь подчеркнул важнейшее обстоятельство физиологии зрения: порог возникновения светового ощущения, т. е. работы зрительной системы в целом, и возбуждения отдельной фоторецепторной клетки — это вовсе не одно и то же, они существенно различаются.

Вавилов исходил из того, что при очень малом световом потоке (а это как раз вблизи порога зрительного ощущения) его флуктуации становятся значительными, поэтому именно они и ограничивают восприятие света. Действительно, при малом числе регистрируемых глазом фотонов n0 (от единиц до полутора-двух сотен) эти случайные числа подчиняются распределению Пуассона, для которого характерные флуктуации пропорциональны (n0)½. Уверенное выделение глазом слабой световой вспышки возможно, только когда n0 >> (n0)½ (сигнал превышает флуктуационный разброс), т. е. при достаточно больших n0. Относительно самой величины n0 — статистически среднего значения для каждого наблюдателя — Вавилов предположил, что в темноте порогу зрительного восприятия коротких световых вспышек соответствует какое-то минимальное, для каждого свое, число поглощаемых фотонов. По его словам, «единственный метод получить n0 дают лишь статистические измерения, вроде примененных нами. Таким образом <…> будет найдено действительное число фотонов, поглощаемое сетчаткой у порога раздражения. Все потери энергии, которые возникают в глазном яблоке вследствие отражения, поглощения и рассеяния и которые неизбежно влияют на любые энергетические методы, отпадают при статистических измерениях автоматически» [5].

С 1932 по 1941 г. в Государственном оптическом институте были выполнены сотни флуктуационных измерений с участием свыше десяти наблюдателей. Перед Вавиловым и его сотрудниками стояла задача добиться корректных условий опыта: кратковременности световых вспышек на фоне темновой адаптации, освещения небольших участков на периферии сетчатки при строгой фиксации их положения.

За 10 лет работы установка Вавилова несколько раз усовершенствовалась, но общая схема и основные элементы сохранялись [6]. Положение головы наблюдателя закреплялось с помощью подбородника таким образом, чтобы во время опыта глаз все время был фиксирован на красную сигнальную лампочку и свет от основной электрической лампы (видимый как зеленая точка) падал на периферию сетчатки — в 8° от ее центра. Свет от лампы проходил к глазу через диафрагму, зеленый фильтр, стопу стеклянных пластинок и нейтральный оптический клин. Между глазом и лампой располагался вращающийся диск с отверстием, размеры которого обеспечивали кратковременность световых вспышек (0.1 с). Для измерений с различными длинами волн вместо лампы использовали монохроматор с источником света. В ходе опыта интенсивность светового потока постепенно понижалась сначала реостатом, затем добавлением стеклянных пластинок и введенеием оптического клина. Наблюдатель отмечал каждую видимую вспышку нажимом ключа. По числу вспышек и прохождений света через отверстия диска, автоматически фиксируемых на бумажной ленте, определяли вероятность видения вспышек.

Схема второго варианта установки С.И.Вавилова. S — красная лампочка; G — стеклянная пластинка; L — лампочка, питаемая от аккумулятора; m — зеркало; O — диафрагма, закрытая молочным стеклом; F — зеленый фильтр; P — стопа стеклянных пластинок; K — нейтральный оптический клин; D — диск, насаженный на ось синхронного мотора (M); T — эталонный источник света (абсолютно черное тело).

Чтобы найти абсолютное число фотонов N, падающих на зрачок глаза в условиях порога восприятия, использовали эталонный источник энергии. Свет излучало нагретое тело, вплотную придвинутое к диафрагме (со снятым матовым стеклом). Зная геометрические параметры потока и характеристики излучателя как черного тела, экспериментаторы могли с достаточной точностью рассчитать (по закону Стефана-Больцмана) энергию фотонов, формирующих световое пятно на зрачке. Эти измерения в сине-зеленой области спектра для разных наблюдателей дали N = 108−335 фотонов, в среднем 208. Различие между n0 и N свидетельствовало о том, что большая часть энергии падающего на глаз света теряется на пути к фоторецепторам из-за отражения, поглощения и рассеяния в глазных средах и тканях.

Большинство измерений было сделано в сине-зеленой области спектра 500−550 нм. В этой области, как следовало из опытов Вавилова и его сотрудников, значения n0, соответствующие порогу на сетчатке, для одного и того же наблюдателя достаточно постоянны, но у разных людей могут быть различны. В работе 1933 г. пороговое число фотонов составило n0 = 47; в работе 1934 г. n0 = 8, а в сводной таблице (по результатам всех опытов в 1932—1941 гг.) n0 = 20.

Эксперименты С. Хехта

В начале 40-х годов американские физиологи С. Хехт, С. Шлер и М. Пирен опубликовали результаты своих исследований по определению абсолютного зрительного порога. Эта работа до сих пор признается классической. Определение минимального числа квантов проводили, измеряя минимальную энергию света, падающего на глаз, который вызывает «видение» вспышки. Установка Хехта отличалась от схемы Вавилова лишь некоторыми модификациями. Так, угол фиксации глаза на красную точку, который обеспечивал периферическое зрение, был бOльшим (20°), угловой размер основного пятна на сетчатке — тоже бо? льшим (10°). Свет (l= 510 нм) проходил к наблюдателю через нейтральный фильтр, оптический клин и двойной монохроматор. Длительность вспышки (1 мс) обеспечивал специальный затвор, а интенсивность света изменялась перемещением клина. Наблюдатель нажимом ключа производил вспышку (обычно около 50 вспышек одной и той же интенсивности) и сообщал, видел ли он ее или нет. Число фотонов, падающих на зрачок, пересчитывалось после измерения энергии света термоэлементом, установленным на диафрагме.

Схема установки С.Хехта. Г — глаз наблюдателя; P — диафрагма; FP — красная точка; FL — линза; D — диафрагма; L — лампа, питаемая от аккумулятора; F — нейтральный фильтр; W — оптический клин; М1М2 — двойной монохроматор; S — затвор. При нажиме кнопки затвор открывает путь световому потоку (l = 510 нм) на 1 мс.

Минимум энергии света на роговице, при котором наблюдатели (7 человек) фиксировали вспышки, варьировал в пределах (2.1−5.7)·10-10 эрг, соответственно чему и пороговое число фотонов сине-зеленого диапазона составило 54−148. Эти результаты перекрывались с данными Вавилова (108−335 фотонов), но были существенно больше, чем оценка Харитона и Ли (17 фотонов). По мнению Хехта, последние значения слишком малы [7].

Для уточнения пороговых значений непосредственно на сетчатке Хехт и соавторы учли, что 4% падающего на глаз света отражается от роговицы, почти 50% поглощается хрусталиком и по крайней мере почти 85% оставшегося света проходит через сетчатку, не поглощаясь ею. Говоря другими словами, если весь свет, падающий на сетчатку, принять за 100%, то лишь около 15% поглощается ею, а остальные уходят в черный пигментный эпителий, лежащий за сетчаткой. После проведения такой корректировки получалось, что из 54−148 фотонов, падающих на роговицу, сетчаткой поглощается лишь 5−14. Оценивая размеры освещаемой области сетчатки (~500 палочек) и считая, что каждый фотон поглощается только одной палочкой, авторы пришли к выводу: вспышку можно «увидеть», только если не менее 5−14 палочек почти одновременно поглотят по одному фотону.