На сколько далеко может видеть человеческий глаз. Как далеко край Вселенной отстоит от самой далёкой галактики? Комплекс упражнений «Четкое Зрение»

Поверхность Земли изгибается и пропадает из поля видимости на расстоянии 5 километров. Но острота нашего зрения позволяет видеть далеко за горизонт. Если бы Земля была плоской, или если б вы стояли на верху горы и смотрели на гораздо больший участок планеты, чем обычно, вы смогли бы увидеть яркие огни на расстоянии сотен километров. В темную ночь вам удалось бы даже увидеть пламя свечи, находящейся в 48 километрах от вас.

Насколько далеко может видеть человеческий глаз зависит от того, сколько частиц света, или фотонов, испускает удаленный объект. Самым далеким объектом, видимым невооруженным глазом, является Туманность Андромеды, расположенная на громадном расстоянии в 2,6 миллионов световых лет от Земли. Один триллион звезд этой галактики испускает в общей сложности достаточно света для того, чтоб несколько тысяч фотонов каждую секунду сталкивались с каждым квадратным сантиметром земной поверхности. В темную ночь этого количества достаточно для активизации сетчатки глаза .

В 1941 году специалист по вопросам зрения Селиг Гехт со своими коллегами из Колумбийского университета сделал то, что до сих пор считается надежным средством измерения абсолютного порога зрения – минимального количества фотонов, которые должны попасть в сетчатку, чтобы вызвать осознание визуального восприятия. Эксперимент устанавливал порог в идеальных условиях: глазам участников давали время, чтобы полностью привыкнуть к абсолютной темноте, сине-зеленая вспышка света, действующая как раздражитель, имела длину волны 510 нанометров (к которой глаза наиболее чувствительны), и свет был направлен на периферический край сетчатки, заполненный распознающими свет клетками палочками.

По данным ученых, для того, чтоб участники эксперимента смогли распознать такую вспышку света более чем в половине случаев, в глазные яблоки должно было попасть от 54 до 148 фотонов. На основании измерений ретинальной абсорбции ученые подсчитали, что в среднем 10 фотонов в действительности впитываются палочками сетчатки человека. Таким образом, абсорбция 5-14 фотонов или, соответственно, активация 5-14 палочек указывает мозгу, что вы что-то видите.

«Это действительно очень малое количество химических реакций », - отметили Гехт и его коллеги в статье об этом эксперименте.

Принимая во внимание абсолютный порог, яркость пламени свечи и расчетное расстояние, на котором светящийся объект тускнеет, ученые пришли к выводу, что человек может различить слабое мерцание пламени свечи на расстоянии 48 километров.

Но на каком расстоянии мы можем распознать, что объект представляет собой нечто большее, чем просто мерцание света? Чтобы объект казался пространственно протяженным, а не точечным, свет от него должен активировать не менее двух смежных колбочек сетчатки – клеток, отвечающих за цветное зрение. В идеальных условиях объект должен лежать под углом не менее 1 аркминута, или одна шестая градуса, чтобы возбудить смежные колбочки. Эта угловая мера остается одной и той же вне зависимости от того, близко или далеко находится объект (удаленный объект должен быть гораздо больше, чтобы находиться под тем же углом, что и ближний). Полная Луна лежит под углом 30 аркминут, тогда как Венера едва различима как протяженный объект под углом около 1 акрминуты.

Объекты величиной с человека различимы как протяженные на расстоянии лишь около 3 километров. В сравнении на таком расстоянии мы смогли бы четко различить две

22-08-2011, 06:44

Описание

Во времена Гражданской войны в Америке доктор Герман Снеллен разработал таблицу для проверки зрения с расстояния двадцати футов (6 м). И до сей поры таблицы, разработанные по образцу , украшают стены в кабинетах окулистов и школьных медсестер.

В девятнадцатом веке специалисты в области зрения определили, что мы должны быть способны видеть с расстояния двадцати футов (6 м) буквы высотой немного меньше, чем 1,25 см. Считается, что те, кто может видеть буквы такого размера, имеют совершенное зрение - то есть 20/20.

С того времени утекло много воды. Мир изменился кардинальным образом. Произошла научно-техническая революция, был побежден полиомиелит, человек побывал на Луне, появились компьютеры и сотовые телефоны.

Но, несмотря на самые современные технологии лазерной глазной хирургии, разноцветные контактные линзы, несмотря на постоянно увеличивающиеся требования к зрению, предъявляемые Интернетом, повседневная забота о глазах по сути остается на том же уровне, что и таблица доктора Снеллена, созданная почти сто пятьдесят лет назад.

Мы определяем силу наших мышц четкого зрения, измеряя, насколько хорошо мы можем видеть крошечные буквы на близком расстоянии.

Пятнадцатилетние подростки с нормальным зрением способны разглядеть мелкие буквы с трех или четырех дюймов. С возрастом, однако, эти силы начинают уменьшаться. В результате естественного процесса старения в возрасте где-то за тридцать мы теряем половину нашей силы четкого зрения и способны держать фокус на расстоянии от четырех до восьми дюймов (от 10 до 20 сантиметров). В течение следующих десяти лет мы снова теряем половину нашей силы, и наш фокус сползает до шестнадцати дюймов (40 см). В следующий раз мы теряем половину нашего четкого зрения обычно между сорока и сорока пятью годами. В этот период фокус увеличивается до тридцати двух дюймов (80 см), и внезапно наши руки оказываются слишком короткими, чтобы позволить нам читать. Хотя множество пациентов, которых я видел, утверждали, что проблема заключалась скорее в их руках, чем глазах, все они предпочли обзавестись очками для чтения, нежели подвергнуться хирургической операции по удлинению рук.

Однако не только пожилые люди нуждаются в увеличении силы зрительных мышц. Иногда я встречаю молодых людей и даже детей, которым необходимо значительно увеличить эту силу, чтобы читать или учиться, не испытывая усталости. Чтобы сразу же получить представление о силе вашего собственного зрения, закройте один глаз рукой и приблизьтесь к таблице для определения остроты зрения на близком расстоянии так, чтобы вы могли рассмотреть буквы на строке 40. Теперь закройте другой глаз и повторите процесс. Если вы носите очки для чтения, во время проверки наденьте их. После того, как вы позанимаетесь упражнениями для тренировки четкого зрения в течение двух недель, повторите проверку аналогичным образом и отметьте, произошли ли какие-либо изменения.

Гибкость

Те, у кого предметы расплываются перед глазами в течение первых нескольких секунд, когда они оторвутся от книги или от компьютера, испытывают трудности с гибкостью мышц четкого зрения. Если ваши хобби или работа требуют частой перемены фокусировки глаз и очертания предметов приобретают четкость не мгновенно, то вы, вероятно, потеряли уже много часов в ожидании, когда ваше зрение снова станет четким. Например, студенту, которому требуется больше времени, чем другим, чтобы, переведя глаза от доски, сфокусироваться на своей тетради, потребуется больше времени, чтобы сделать задание, написанное на доске.

Выносливость

Как я уже говорил раньше, недостаточно уметь назвать полдюжины букв на таблице во время проверки. Вы должны уметь сохранять четкость зрения в течение какого-то времени, даже если вы можете прочитать строку 20/10. Тем, у кого есть проблемы с выносливостью, трудно сохранять четкость зрения при чтении или управлении автомобилем. Обычно они видят предметы нечетко, у них воспаляются глаза и даже бывают головные боли, когда им необходимо в течение долгого времени что-либо тщательно рассматривать. Степень легкости, с какой вы можете выполнять упражнения, описанные во второй половине этой главы, даст вам представление и о гибкости, и о выносливости вашего зрения.

В я рассказал историю о Билле и о том, как его зрение ухудшилось из-за долгого сидения в Интернете. Это был пример того, как зрение 20/20 можно назвать хорошей стартовой позицией, но это лишь стартовая позиция. Наличие зрения 20/20 не гарантирует, что предметы будут четкими, когда мы оторвем глаза от книги или от монитора компьютера, или что мы не будем страдать от головных болей или неприятного ощущения в желудке при чтении. Наличие зрения 20/20 не гарантирует, что мы можем хорошо рассмотреть, что написано на дорожных знаках ночью, или видеть так же хорошо, как и другие люди.

Самое большее, что может гарантировать зрение 20/20, - это то, что мы можем, находясь на расстоянии от таблицы, созданной в девятнадцатом веке, удерживать зрение в фокусе достаточно долго, чтобы прочитать шесть или восемь букв.

«Так почему же мы должны соглашаться на зрение 20/20 ?» - спросите вы.

Мой ответ, конечно же: «А действительно, почему ?»

Зачем соглашаться на воспаленные глаза или головные боли во время работы на компьютере? Зачем соглашаться на дополнительные усилия, которые исподволь изматывают нас, когда мы читаем, и заставляют нас чувствовать себя в конце дня как выжатый лимон? Зачем соглашаться на напряжение, с которым мы стараемся разглядеть дорожные знаки, когда двигаемся вечером в потоке транспорта? Разве не нужно было похоронить эту ветхозаветную таблицу для проверки зрения еще задолго до конца двадцатого столетия? Короче говоря, почему мы должны соглашаться с тем, что наше зрение не соответствует эре Интернета?

Что ж, если вы хотите, чтобы качество вашего зрения соответствовало требованиям двадцать первого века, - тогда пришло время поработать над гибкостью ваших глазных мышц.

Но прежде чем начать, позвольте мне предостеречь вас. Как и в случае с любыми другими упражнениями, испытание ваших глазных мышц может вначале вызвать боль и неприятные ощущения. Ваши глаза могут гореть от напряжения. Вы можете почувствовать небольшую головную боль. Даже ваш живот может воспротивиться упражнениям, потому что им управляет та же самая нервная система, что управляет фокусировкой ваших глаз. Но если вы не отступитесь и будете продолжать заниматься в течение семи минут в день (по три с половиной минуты на каждый глаз), боли и неприятные ощущения постепенно уйдут, и вы перестанете их испытывать не только во время выполнения упражнений, но и в течение остального времени дня тоже.

Точность. Сила. Гибкость. Выносливость . Вот какие качества ваши глаза приобретут в результате занятий фитнесом для глаз.

Ну что ж. Сказано уже достаточно. Давайте приступим. Даже если вы решите сначала перелистать всю книгу целиком, а заниматься начнете позже, я все же рекомендую вам сразу попробовать выполнить упражнение «Четкое зрение I» - просто чтобы получить представление о том, как работают ваши глазные мышцы. Или если вы предпочитаете не вставать с места, то попробуйте сделать упражнение «Четкое зрение III» - только не очень напрягайтесь.

Когда вы будете знакомиться с упражнениями, приведенными в этой книге, не читайте описание всего упражнения сразу. Прежде чем читать описание следующего этапа упражнения, выполните предыдущий. Лучше выполнять упражнение, а не просто читать о нем. Так вы не запутаетесь, и у вас все получится.

Комплекс упражнений «Четкое Зрение»

Четкое зрение 1

Предлагаю вам три таблицы для тренировки четкости зрения: таблицу с большими буквами для тренировки дальнего зрения и две таблицы (А и В) с маленькими буквами для тренировки ближнего зрения. Вырежьте их из книги или сделайте копии.

Если вы не нуждаетесь в очках, это прекрасно! Для этих упражнений они вам не понадобятся. Если вам прописали очки для постоянного ношения, то будьте в них, выполняя упражнения. Если у вас очки с небольшими диоптриями и ваш врач сказал, что вы можете носить их, когда хотите, и вы предпочитаете обходиться без них, то и упражнение попробуйте выполнять также без очков.

А если вы предпочитаете их носить, то и упражнение выполняйте также в них.

Выполняйте упражнение в следующем порядке:

1. Прикрепите таблицу для тренировки дальнего зрения к хорошо освещенной стене.

2. Отойдите от таблицы на такое расстояние, чтобы вы могли хорошо видеть все буквы - примерно от шести до десяти футов (1,8 м до 3 м).

3. Держите таблицу для проверки ближнего зрения в правой руке.

4. Закройте левый глаз левой ладонью. Не прижимайте ее к глазу, а согните так, чтобы оба глаза оставались открытыми.

5. Приблизьте таблицу А так близко к глазу, чтобы вам было удобно читать буквы - примерно от шести до десяти дюймов (15 см до 25 см). Если вам больше сорока лет, то вам, вероятно, придется начинать с шестнадцати дюймов (40 см).

6. В этом положении (с закрытым ладонью левым глазом, стоя на таком расстоянии от таблицы для проверки дальнего зрения, чтобы вы свободно могли читать ее, и с таблицей А, приближенной к глазам так близко, чтобы вам было удобно читать ее) прочитайте первые три буквы на таблице для проверки дальнего зрения: Е, F, Т.

7. Переведите глаза на таблицу для проверки ближнего зрения и прочитайте следующие три буквы: Z, А, С.

9. Закончив чтение таблиц правым глазом (и потратив на это три с половиной минуты), возьмите ближнюю таблицу в левую руку, а правый глаз закройте ладонью, опять же не нажимая на него, а так, чтобы он под ладонью оставался открытым.

10. Прочитайте таблицы левым глазом, по три буквы за раз, так же, как вы читали их правым глазом: Е, F, Т - дальняя таблица, Z, А, С - ближняя таблица и т.д.

Во время выполнения упражнения «Четкое зрение I» вы заметите, что сначала, переводя взгляд с одной таблицы на другую, вам будет требоваться несколько секунд, чтобы сфокусироваться на них. Каждый раз, когда вы смотрите вдаль, вы расслабляете глазные мышцы и напрягаете их, когда рассматриваете что-то на близком расстоянии. Чем быстрее вы можете перефокусировать взгляд, тем выше гибкость ваших глазных мышц. Чем дольше вы можете выполнять упражнение, не испытывая усталости, тем больше выносливость ваших глазных мышц. Работая с таблицами, вы держите их на удобном для себя расстоянии, для того чтобы привыкнуть напрягать и расслаблять глазные мышцы, не напрягая при этом глаза. По крайней мере вначале, работайте с этим упражнением не дольше семи минут в день - по три с половиной минуты каждым глазом. Постепенно отодвигайтесь все дальше от большой таблицы, а маленькую подносите к глазам все ближе. Как только вы сможете выполнять это упражнение, не испытывая дискомфорта, вы готовы переходить к упражнению «Четкое зрение II».

Четкое зрение 2

Целью упражнения «Четкое зрение I» было научиться быстро и без напряжения перемещать фокус зрения на разные расстояния. Этот навык также поможет вам удерживать фокус при чтении, при вождении автомобиля или когда вам нужно рассмотреть детали какого-либо объекта. Выполняя упражнение «Четкое зрение И», вы еще больше расширите диапазон четкости и увеличите силу и точность зрения.

Работая над упражнением «Четкое зрение II» , следуйте той же процедуре из десяти шагов, что и в упражнении «Четкое зрение I», лишь за некоторыми исключениями, а именно: в шаге 2 отойдите от большой таблицы на такое расстояние, пока едва сможете распознавать буквы. Например, если в упражнении «Четкое зрение I» вы могли легко видеть буквы, стоя на расстоянии десяти футов (3 м) от таблицы, теперь встаньте на расстояние двенадцать футов (3,6 м) от нее. По мере того как вы начнете видеть лучше, продолжайте отодвигаться от таблицы, пока не сможете читать буквы на расстоянии двадцати футов (6 м).

Аналогичным образом в шаге 5: вместо того чтобы держать маленькую таблицу в руках так близко, чтобы вам было удобно читать ее, теперь придвиньте ее к глазам на несколько сантиметров ближе, то есть на такое расстояние, чтобы вам нужно было прилагать усилия, читая буквы. Работайте, пока не сможете читать таблицу на расстоянии около четырех дюймов (10 см) от глаз. Если вам больше сорока лет, вероятно, вы не сможете читать таблицу на расстоянии четырех дюймов. Вам, возможно, придется тренироваться на расстоянии шесть (15 см), или десять дюймов (25 см), или даже шестнадцать дюймов (40 см). Вы сами должны будете определить нужное расстояние. Убедитесь только, что вы держите таблицу на столь близком расстоянии от глаз, что можете едва различать буквы. По мере тренировок вы расширите ваш диапазон четкого зрения.

Когда вы можете стоять на расстоянии десять футов (3 м) от таблицы для проверки дальнего зрения и четко видеть все буквы, острота вашего зрения будет составлять 20/20. Если вы сможете отступить от нее еще немножко - на тринадцать футов (3,9 метра) и все еще видеть буквы, ваше зрение будет равно приблизительно 20/15. И, наконец, если вы можете четко видеть буквы на таблице на расстоянии двадцать футов (6 м), это значит, что острота вашего зрения удвоилась по сравнению с теми близорукими учеными девятнадцатого века, то есть ваше зрение составляет 20/10 - вы можете видеть с двадцати футов то, что они могли увидеть лишь с десяти.

Четкое зрение III

Упражнение «Четкое зрение III» предназначено для того, чтобы еще больше увеличить точность, силу, гибкость и выносливость ваших глаз в пределах досягаемости вытянутой руки. Его можно легко выполнять, сидя за рабочим столом.

Используйте таблицу «В» для определения четкости ближнего зрения. Если у вас есть очки для чтения, выполняйте упражнения в них. Если таблица В слишком мала, чтобы вы могли разглядеть на ней буквы даже в очках, тогда используйте таблицу А.

Выполните следующие шаги.

1. Закройте один глаз ладонью.

2. Приблизьте к другому глазу таблицу В так близко, чтобы вам удобно было читать буквы.

3. Мягко моргните и посмотрите, сможете ли вы приблизить к себе таблицу еще немного, но так, чтобы вы могли все же удерживать фокус.

4. Затем отодвиньте от себя таблицу так далеко, чтобы вам было все еще удобно читать буквы - по возможности на расстояние вытянутой руки.

5. Мягко моргните и посмотрите, сможете ли вы отодвинуть от себя таблицу еще немного, но так, чтобы вы могли все же удерживать фокус.

7. Закончив выполнять упражнение одним глазом, закройте его ладонью и повторяйте всю процедуру другим глазом в течение еще трех минут.

8. Наконец, в течение одной минуты, открыв оба глаза, перемещайте таблицу то дальше, то ближе к глазам.

Закончив упражнение «Четкое зрение I», вы можете чередовать упражнения, выполняя в один день упражнение «Четкое зрение II», а в другой - «Четкое зрение III», тратя на каждое по семь минут.

График выполнения упражнений

Подробнее о графике ваших занятий я расскажу в главе 10, но если вы хотите приступить сейчас, то работайте с упражнениями по семь минут в день, в одно и то же время. В этом случае вы уже будете на пути к лучшей тренированности вашего зрения даже раньше, чем закончите читать эту книгу.

Статья из книги:

Поверхность Земли в поле вашего зрения начинает искривляться примерно на расстоянии 5 км. Но острота человеческого зрения позволяет видеть гораздо дальше горизонта. Если бы не было искривления, вы смогли бы разглядеть пламя свечи в 50 км от вас.

Дальность видения зависит от количества фотонов, испускаемых удалённым объектом. 1 000 000 000 000 звёзд этой галактики коллективно излучают достаточно света для того, чтобы несколько тысяч фотонов достигало каждого кв. см Земли. Этого хватает чтобы возбудить сетчатку человеческого глаза.

Так как, находясь на Земле, проверить остроту человеческого зрения невозможно, учёные прибегли к математическим расчётам. Они выяснили, что для того, чтобы увидеть мерцающий свет, нужно, чтобы на сетчатку попало от 5 до 14 фотонов. Пламя свечи на расстоянии 50 км, учитывая рассеивание света, даёт это количество, и мозг распознаёт слабое свечение.

Как узнать кое-что личное о собеседнике по его внешнему виду

Секреты «сов», о которых не знают «жаворонки»

Как работает «мозгопочта» - передача сообщений от мозга к мозгу через интернет

Зачем нужна скука?

«Человек-магнит»: Как стать харизматичнее и притягивать к себе людей

25 цитат, которые разбудят вашего внутреннего борца

Можно ли «очистить организм от токсинов»?

5 причин, по которым люди всегда будут винить в преступлении жертву, а не преступника

Эксперимент: мужчина пьёт по 10 банок колы в день, чтобы доказать её вред

От наблюдения далеких галактик за световые годы от нас до восприятия невидимых цветов, Адам Хэдхейзи на BBC объясняет, почему ваши глаза могут делать невероятные вещи. Взгляните вокруг. Что вы видите? Все эти цвета, стены, окна, все кажется очевидным, как будто так и должно быть здесь. Мысль о том, что мы все это видим благодаря частицам света - фотонам - которые отскакивают от этих объектов и попадают нам в глаза, кажется невероятной.

Эта фотонная бомбардировка всасывается примерно 126 миллионами светочувствительных клеток. Различные направления и энергии фотонов транслируются в наш мозг в разных формах, цветах, яркости, наполняя образами наш многоцветный мир.

Наше замечательное зрение, очевидно, обладает рядом ограничений. Мы не можем видеть радиоволны, исходящие от наших электронных устройств, не можем разглядеть бактерий под носом. Но с достижениями физики и биологии мы можем определить фундаментальные ограничения естественного зрения. «Все, что вы можете различить, имеет порог, самый низкий уровень, выше и ниже которого вы видеть не можете», - говорит Майкл Лэнди, профессор неврологии Нью-Йоркского университета.

Начнем рассматривать эти визуальные пороги сквозь призму - простите за каламбур - что многие ассоциируют со зрением в первую очередь: цвет.

Почему мы видим фиолетовый, а не коричневый, зависит от энергии, или длины волн, фотонов, падающих на сетчатку глаза, расположенную в задней части наших глазных яблок. Там находится два типа фоторецепторов, палочки и колбочки. Колбочки отвечают за цвет, а палочки позволяют нам видеть оттенки серого в условиях низкой освещенности, например, ночью. Опсины, или пигментные молекулы, в клетках сетчатки поглощают электромагнитную энергию падающих фотонов, генерируя электрический импульс. Этот сигнал идет через зрительный нерв к мозгу, где и рождается сознательное восприятие цветов и изображений.

У нас есть три типа колбочек и соответствующих опсинов, каждый из которых чувствителен к фотонам определенной длины волны. Эти колбочки обозначаются буквами S, M и L (короткие, средние и длинные волны соответственно). Короткие волны мы воспринимаем синими, длинные - красными. Длины волн между ними и их комбинации превращаются в полную радугу. «Весь свет, который мы видим, кроме созданного искусственно с помощью призм или хитроумных устройств вроде лазеров, представляет собой смесь разных длин волн, - говорит Лэнди».

Из всех возможных длин волн фотона наши колбочки обнаруживают небольшую полосу от 380 до 720 нанометров - то, что мы называем видимым спектром. За пределами нашего спектра восприятия есть инфракрасный и радиоспектр, у последнего диапазон волн составляет от миллиметра до километра длиной.

Над нашим видимым спектром, на более высоких энергиях и коротких длинах волн, мы находим ультрафиолетовый спектр, потом рентгеновские лучи и на вершине - гамма-лучевой спектр, длины волн которого достигают одной триллионной метра.

Хотя большинство из нас ограничены видимым спектром, люди с афакией (отсутствием хрусталика) могут видеть в ультрафиолетовом спектре. Афакия, как правило, создается вследствие оперативного удаления катаракты или врожденных дефектов. Обычно хрусталик блокирует ультрафиолетовый свет, поэтому без него люди могут видеть за пределами видимого спектра и воспринимать длины волн до 300 нанометров в голубоватом оттенке.

Исследование 2014 года показало, что, условно говоря, все мы можем видеть инфракрасные фотоны. Если два инфракрасных фотона случайно попадают в клетку сетчатки почти одновременно, их энергия объединяется, конвертируя их длину волны из невидимой (например, 1000 нанометров) в видимую 500-нанометровую (холодный зеленый цвет для большинства глаз).

Здоровый человеческий глаз имеет три типа колбочек, каждый из которых может различать порядка 100 разных цветовых оттенков, поэтому большинство исследователей сходятся во мнении, что наши глаза в общем могут различить примерно миллион оттенков. Тем не менее восприятие цвета - это довольно субъективная способность, которая варьируется от человека к человеку, поэтому определить точные цифры довольно сложно.

«Довольно трудно переложить это на цифры, - говорит Кимберли Джеймисон, научный сотрудник Калифорнийского университета в Ирвине. - То, что видит один человек, может быть лишь частью цветов, которые видит другой человек».

Джеймисон знает, о чем говорит, поскольку работает с «тетрахроматами» - людьми, обладающими «сверхчеловеческим» зрением. Эти редкие индивиды, в основном женщины, обладают генетической мутацией, которая подарила им дополнительные четвертые колбочки. Грубо говоря, благодаря четвертому набору колбочек, тетрахроматы могут разглядеть 100 миллионов цветов. (Люди с цветовой слепотой, дихроматы, имеют только два вида колбочек и видят примерно 10 000 цветов).

Сколько минимум фотонов нам нужно видеть?

Для того чтобы цветное зрение работало, колбочкам, как правило, нужно намного больше света, чем их коллегам-палочкам. Поэтому в условиях низкой освещенности цвет «гаснет», поскольку на передний план выходят монохроматические палочки.

В идеальных лабораторных условиях и в местах сетчатки, где палочки по большей части отсутствуют, колбочки могут быть активированы лишь горсткой фотонов. И все же палочки лучше справляются в условиях рассеянного света. Как показали эксперименты 40-х годов, одного кванта света достаточно, чтобы привлечь наше внимание. «Люди могут реагировать на один фотон, - говорит Брайан Уонделл, профессор психологии и электротехники в Стэнфорде. - Нет никакого смысла в еще большей чувствительности».

В 1941 году исследователи Колумбийского университета усадили людей в темную комнату и дали их глазам приспособиться. Палочкам потребовалось несколько минут, чтобы достичь полной чувствительности - вот почему у нас возникают проблемы со зрением, когда внезапно гаснет свет.

Затем ученые зажгли сине-зеленый свет перед лицами испытуемых. На уровне, превышающем статистическую случайность, участники смогли зафиксировать свет, когда первые 54 фотона достигли их глаз.

После компенсации потери фотонов через всасывание другими компонентами глаза, ученые обнаружили, что уже пять фотонов активируют пять отдельных палочек, которые дают ощущение света участникам.

Каков предел самого мелкого и дальнего, что мы можем увидеть?

Этот факт может вас удивить: нет никакого внутреннего ограничения мельчайшей или самой далекой вещи, которую мы можем увидеть. Пока объекты любого размера, на любом расстоянии передают фотоны клеткам сетчатки, мы можем их видеть.

«Все, что волнует глаз, это количество света, которое попадает на глаз, - говорит Лэнди. - Общее число фотонов. Вы можете сделать источник света до смешного малым и удаленным, но если он излучает мощные фотоны, вы его увидите».

К примеру, расхожее мнение гласит, что темной ясной ночью мы можем разглядеть огонек свечи с расстояния 48 километров. На практике, конечно, наши глаза будут просто купаться в фотонах, поэтому блуждающие кванты света с больших расстояний просто потеряются в этой мешанине. «Когда вы увеличиваете интенсивность фона, количество света, которое вам необходимо, чтобы что-то разглядеть, увеличивается», - говорит Лэнди.

Ночное небо с темным фоном, усеянным звездами, являет собой поразительный пример дальности нашего зрения. Звезды огромны; многие из тех, что мы видим в ночном небе, составляют миллионы километров в диаметре. Но даже ближайшие звезды находятся минимум в 24 триллионах километров от нас, а потому настолько малы для нашего глаза, что их не разберешь. И все же мы их видим как мощные излучающие точки света, поскольку фотоны пересекают космические расстояния и попадают в наши глаза.

Все отдельные звезды, которые мы видим в ночном небе, находятся в нашей галактике - Млечный Путь. Самый далекий объект, который мы можем разглядеть невооруженным глазом, находится за пределами нашей галактики: это галактика Андромеды, расположенная в 2,5 миллионах световых лет от нас. (Хотя это спорно, некоторые индивиды заявляют, что могут разглядеть галактику Треугольника в чрезвычайно темном ночном небе, а она находится в трех миллионах световых лет от нас, только придется поверить им на слово).

Триллион звезд в галактике Андромеды, учитывая расстояние до нее, расплываются в смутный светящийся клочок неба. И все же ее размеры колоссальны. С точки зрения видимого размера, даже будучи в квинтиллионах километрах от нас, эта галактика в шесть раз шире полной Луны. Однако наших глаз достигает так мало фотонов, что этот небесный монстр почти незаметен.

Насколько острым может быть зрение?

Почему мы не различаем отдельных звезд в галактике Андромеды? Пределы нашего визуального разрешения, или остроты зрения, накладывают свои ограничения. Острота зрения - это возможность различать такие детали, как точки или линии, отдельно друг от друга, чтобы те не сливались воедино. Таким образом, можно считать пределы зрения числом «точек», которые мы можем различить.

Границы остроты зрения устанавливают несколько факторов, например, расстояния между колбочками и палочками, упакованными в сетчатке. Также важна оптика самого глазного яблока, которое, как мы уже говорили, предотвращает проникновение всех возможных фотонов к светочувствительным клеткам.

Теоретически, как показали исследования, лучшее, что мы можем разглядеть, это примерно 120 пикселей на градус дуги, единицу углового измерения. Можете представить это как черно-белую шахматную доску 60 на 60 клеток, которая умещается на ногте вытянутой руки. «Это самый четкий паттерн, который вы можете разглядеть», - говорит Лэнди.

Проверка зрения, вроде таблицы с мелкими буквами, руководствуется теми же принципами. Эти же пределы остроты объясняют, почему мы не может различить и сосредоточиться на одной тусклой биологической клетке шириной в несколько микрометров.

Но не списывайте себя со счетов. Миллион цветов, одиночные фотоны, галактические миры за квантиллионы километров от нас - не так уж и плохо для пузырька желе в наших глазницах, подключенных к 1,4-килограммовой губке в наших черепах.

Изучение самых далёких галактик может показать нам объекты, расположенные в миллиардах световых лет от нас, но даже с идеальной технологией пространственный промежуток между самой далёкой галактикой и Большим взрывом будет оставаться огромным.

Вглядываясь во Вселенную, мы видим свет везде, на всех расстояниях, на которые только способны заглянуть наши телескопы. Но в какой-то момент мы наткнёмся на ограничения. Одно из них накладывается космической структурой, формирующейся во Вселенной: мы можем видеть только звёзды, галактики и прочее, только если они излучают свет. Без этого наши телескопы ничего не способны разглядеть. Другое ограничение, при использовании видов астрономии, не ограничивающихся светом - это ограничение того, какая часть Вселенной доступна для нас с момента Большого взрыва. Две эти величины могут не быть связанными друг с другом, и именно по этой теме нам задаёт вопрос наш читатель:

Почему красное смещение реликтового излучения находится в пределах 1000, хотя самое большое красное смещение любой галактики из тех, что мы видели, равно 11?

Весь набор того, что мы знаем, видим, наблюдаем и с чем взаимодействуем, называют «наблюдаемой Вселенной». За пределами него, скорее всего, находится ещё больше участков Вселенной, и со временем у нас будет возможность видеть всё больше и больше этих участков, когда свет от удалённых объектов, наконец, достигнет нас после космического путешествия в миллиарды лет. Мы можем видеть то, что видим (и больше, а не меньше), благодаря комбинации из трёх факторов:

• Со времени Большого взрыва прошло конечное количество времени, 13,8 млрд лет.


• Скорость света, максимальная скорость для любого сигнала или частицы, передвигающегося по Вселенной, конечна и постоянна.


• Сама ткань пространства растягивается и расширяется с момента Большого взрыва.

То, что нам видно сегодня, является результатом работы трёх этих факторов, совместно с изначальным распределением материи и энергии, работающих по законам физики на протяжении всей истории Вселенной. Если мы хотим узнать, какой была Вселенная в любой ранний момент времени, нам надо всего лишь пронаблюдать, какой она стала сегодня, измерить все связанные с этим параметры, и подсчитать, какой она была в прошлом. Для этого нам потребуется много наблюдений и измерений, но уравнения Эйнштейна, пусть и такие трудные, по крайней мере, недвусмысленны. Выводимые результаты выливаются в два уравнения, известные, как уравнения Фридмана , и с задачей их решения каждый студент, изучающий космологию, сталкивается напрямую. Но мы, честно говоря, сумели провести несколько удивительных измерений параметров Вселенной.

Глядя в направлении северного полюса Галактики Млечный Путь, мы можем заглядывать в глубины космоса. На этом изображении размечены сотни тысяч галактик, и каждый его пиксель - это отдельная галактика.

Мы знаем, с какой скоростью она расширяется сегодня. Мы знаем, какова плотность материи в любом направлении, в котором мы смотрим. Мы знаем, сколько структур формируется на всех масштабах, от шаровых скоплений до карликовых галактик, от крупных галактик до их групп, скоплений и крупномасштабных нитевидных структур. Мы знаем, сколько во Вселенной нормальной материи, тёмной материи, тёмной энергии, а также более мелких составляющих, таких, как нейтрино, излучение, и даже чёрные дыры. И только исходя из этой информации, экстраполируя назад во времени, мы можем вычислить как размер Вселенной, так и скорость её расширения в любой момент её космической истории.

Логарифмический график зависимости размера наблюдаемой Вселенной от возраста

Сегодня наша обозримая Вселенная простирается на примерно 46,1 млрд световых лет во всех направлениях с нашей точки зрения. На таком расстоянии находится точка старта воображаемой частицы, которая отправилась в путь в момент Большого взрыва, и, путешествуя со скоростью света, прибыла бы к нам сегодня, спустя 13,8 млрд лет. В принципе, на этом расстоянии были порождены все гравитационные волны, оставшиеся от космической инфляции - состояния, предшествовавшего Большому взрыву, настроившего Вселенную и обеспечившего все начальные условия.

Гравитационные волны, созданные космической инфляцией - это самый старый сигнал из всех, которые человечество в принципе могло бы засечь. Они родились в конце космической инфляции и в самом начале горячего Большого взрыва.

Но во Вселенной остались и другие сигналы. Когда ей было 380 000 лет, остаточное излучение от Большого взрыва прекратило рассеиваться со свободных заряженных частиц, поскольку те образовали нейтральные атомы. И эти фотоны, после образования атомов, продолжают испытывать красное смещение вместе с расширением Вселенной, и их можно увидеть сегодня при помощи микроволновой или радиоантенны/телескопа. Но из-за большой скорости расширения Вселенной на ранних этапах, «поверхность», которая «светится» для нас этим остаточным светом - космический микроволновой фон - находится всего в 45,2 млрд световых лет от нас. Расстояние от начала Вселенной до того места, где Вселенная находилась через 380 000 лет, получается равным 900 млн световых лет!

Холодные флуктуации (синие) в реликтовом излучении не холоднее сами по себе, а просто представляют участки с усиленным гравитационным притяжением из-за увеличенной плотности материи. Горячие (красные) участки горячее, потому что излучение в этих регионах живёт в менее глубоком гравитационном колодце. Со временем более плотные регионы с большей вероятностью вырастут в звёзды, галактики и скопления, а менее плотные сделают это с меньшей вероятностью.

Пройдёт ещё немало времени, прежде чем мы найдём самую удалённую из всех открытых нами галактик Вселенной. Хотя симуляции и расчёты показывают, что самые первые звёзды могли сформироваться через 50-100 млн лет с начала Вселенной, а первые галактики - через 200 млн лет, так далеко назад мы ещё не заглядывали (хотя, есть надежда, что после запуска в следующем году космического телескопа им. Джеймса Уэбба мы сможем это сделать!). На сегодня космическим рекордом владеет галактика, показанная ниже, существовавшая, когда Вселенной было 400 млн лет - это всего 3% от текущего возраста. Однако эта галактика, GN-z11, расположена всего в 32 млрд световых лет от нас: это порядка 14 млрд световых лет от «края» наблюдаемой Вселенной.

Самая удалённая из всех обнаруженных галактик: GN-z11, фото с наблюдения GOODS-N, проведённого телескопом Хаббл.

Причина этого состоит в том, что вначале скорость расширения со временем очень быстро падала. Ко времени, когда галактика Gz-11 существовала в наблюдаемом нами виде, Вселенная расширялась в 20 раз быстрее, чем сегодня. Когда было испущено реликтовое излучение, Вселенная расширялась в 20 000 раз быстрее, чем сегодня. На момент Большого взрыва, насколько мы знаем, Вселенная расширялась в 10 36 раз быстрее, или в 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз быстрее, чем сегодня. Со временем скорость расширения Вселенной сильно уменьшилась.

И для нас это очень хорошо! Баланс между первичной скоростью расширения и общим количеством энергии во Вселенной во всех её формах идеально соблюдается, вплоть до погрешности наших наблюдений. Если бы во Вселенной было хоть немного больше материи или излучения на ранних этапах, она бы схлопнулась обратно миллиарды лет назад, и нас бы не было. Если бы во Вселенной было слишком мало материи или излучения на ранних этапах, она бы расширилась так быстро, что частицы не смогли бы встретиться друг с другом, чтобы даже сформировать атомы, не говоря уже о более сложных структурах типа галактик, звёзд, планет и людей. Космическая история, которую рассказывает нам Вселенная, это история чрезвычайной сбалансированности, благодаря которой мы и существуем.

Замысловатый баланс между скоростью расширения и общей плотностью Вселенной настолько хрупок, что даже отклонение в 0,00000000001% в любую сторону сделало бы Вселенную совершенно необитаемой для любой жизни, звёзд или даже планет в любой момент времени.

Если верны лучшие из наших современных теорий, то первые настоящие галактики должны были сформироваться в возрасте от 120 до 210 млн лет. Это соответствует расстоянию от нас до них в 35-37 млрд световых лет, и расстоянию от самой дальней галактики до края наблюдаемой Вселенной в 9-11 млрд световых лет на сегодня. Это чрезвычайно далеко, и говорит об одном удивительном факте: Вселенная чрезвычайно быстро расширялась на ранних этапах, а сегодня расширяется гораздо медленнее. 1% возраста Вселенной отвечает за 20% её общего расширения!

История Вселенной полна фантастических событий, но с тех пор, как закончилась инфляция и произошёл Большой взрыв, скорость расширения стремительно падала, и замедляется, пока плотность продолжает уменьшаться.

Расширение Вселенной растягивает длину волны света (и отвечает за видимое нами красное смещение), и за большое расстояние между микроволновым фоном и самой далёкой галактикой отвечает большая скорость этого расширения. Но размер Вселенной сегодня свидетельствует ещё кое о чём удивительном: об невероятных эффектах, происходивших с течением времени. Со временем Вселенная продолжит расширяться всё больше и больше, и к тому времени, когда её возраст будет в десять раз превышать сегодняшний, расстояния увеличатся так сильно, что нам уже не будут видны никакие галактики за исключением членов нашей местной группы, даже с телескопом, эквивалентным Хабблу. Наслаждайтесь всем тем, что видно сегодня, великим разнообразием того, что присутствует на всех космических масштабах. Оно не будет существовать вечно!