Великий русский физиолог И. М. Сеченов по вопросу о зрительном восприятии движений стоял на материалистической точке зрения. Он писал: «…в отношении движений, за которыми глаз в силах уследить, представляемое и действительное совпадают друг с другом». Оказывается, что при движении объекта наблюдения встречается также ряд зрительных иллюзий, которые обусловлены некоторыми свойствами нашего зрительного аппарата.
Еще Клавдий Птолемей (II в. н. э.) в своей «Оптике» говорит, что если круг с окрашенным сектором привести во вращение, то весь круг нам кажется окрашенным.
Очевидно, еще древним было известно, что движущийся с некоторой скоростью по кругу огонь превращается для нас в сплошное огненное кольцо.
Наш глаз обладает свойством удерживать в течение долей секунды зрительное впечатление, хотя видимый предмет уже исчез из поля зрения.
Зрительное ощущение света требует некоторого времени для возникновения. Если перед глазом, адаптированным на темноту, внезапно появится ярко освещенная поверхность, то зрительное ощущение от нее возникает примерно через 0,1 сек. При меньшей разности яркостей поля адаптации и возникающей светлой поверхности это время увеличивается до 0,2–0,3 сек, при большей оно сокращается.
При этом сила возникающего зрительного ощущения вначале резко нарастает — «вспышка» кажется ярче, чем в действительности, но затем сравнительно быстро «приходит» нормальное ощущение яркости. К этой инерционности зрения прибавляется еще инерционность нервной системы, в которой сигнал от органов зрения и ответный сигнал двигательным органом распространяется хотя и с большой, но не с бесконечной скоростью. С момента подачи сигнала средней силы до момента ответного движения человека проходит в среднем 0,19 сек. У отдельных лиц это время колеблется в пределах от 0,15 до 0,225 сек. Когда человек воспринимает сигнал одним глазом, он реагирует на этот сигнал медленнее: «отставание» равно примерно 0,015 сек.
Только в первой половине XIX века начали пользоваться этой особенностью зрительного восприятия движущихся объектов. Так, в 1825 г. во Франции был построен прибор, так называемый «тавматроп»,[13] представляющий собой кусок картона, на одной стороне которого нарисована, например, клетка, а на другой — птичка (рис. 125).
Рис. 125. Эту птичку можно увидеть сидящей в клетке.
При быстром вращении и одновременном наблюдении обеих сторон картона птичка будет казаться сидящей в клетке. Можно кусок картона с рисунками на обеих сторонах укрепить на оси волчка. Тот же опыт можно проделать с карточкой, у которой на одной стороне нарисована скачущая лошадь, а на другой жокей (рис. 126).
Рис. 126. Если картонную карточку с изображением скачущей лошади на одной ее стороне и жокея на другой стороне начать быстро вращать на раскручивающейся ниточке, то мы увидим жокея на лошади (как показано здесь внизу).
Возможен ряд самых разнообразных вариантов этой игрушки: охотник без дичи и с дичью, две отдельные части одного и того же слова, балерина отдельно от партнера и т. д.
Между прочим, иллюзия пребывания птички в клетке может быть получена и другим способом. Следует взять половину почтовой открытки и поместить ее вертикально между птичкой и клеткой так, чтобы тень от открытки не падала на рис. 125, затем прислонить открытку вместе с рисунком к носу и смотреть одним глазом на клетку, а другим на птичку. При этом окажется, что птичка сдвинулась и вошла в клетку. Эта иллюзия объясняется слиянием изображений предмета в правом и левом глазу в нашем сознании в единый зрительный образ (стереоэффект).
В 1829 г. бельгийский физик Ж. Плато построил прибор, названный им «фенакистископом»,[14] состоящий (рис. 127) из картонного круга, разделенного на несколько секторов с таким же числом окошечек; в секторах размещены изображения дровокола в последовательных положениях при раскалывании полена топором. Если встать перед зеркалом и смотреть при быстром вращении круга в окошечко, то получится впечатление работы дровокола.
Рис. 127
Известна также спираль Плато, на которой можно наблюдать последовательный образ движения. Если диск со спиралью (рис. 128) вращать по часовой стрелке, то после продолжительного фиксирования ее глазом у нас возникает впечатление стягивания всех ветвей спирали к центру; при вращении спирали в обратном направлении мы видим расхождение спиралей от центра к периферии.
Рис. 128
Если после длительного рассматривания движущейся спирали взглянуть на неподвижные предметы, мы увидим их движение в обратном направлении. Так, например, если после длительного наблюдения за местностью из окна движущегося поезда или за водой из окна движущегося парохода мы переведем взгляд на неподвижные предметы внутри вагона или парохода, то нам покажется, что они тоже движутся, но в обратном направлении. Эти иллюзии связаны с последовательными движущимися образами.
Всем хорошо знакома иллюзия зрения, когда из окна стоящего поезда вы видите, как трогается в путь соседний поезд. Вам кажется, будто ваш поезд медленно отправляется со станции. Вы уже привыкли связывать в сознании движущиеся образы со своим движением.
Вы смотрите в окно из вагона курьерского поезда, идущего со скоростью 60 километров в час. На откосах насыпи растут красные цветы, и вы хотите узнать их: что это, розы, маки или георгины? Однако цветы мелькают и узнать их не удается, хотя поезд продвигается всего лишь на 16 метров в секунду. Известно, что ласточка летает со скоростью около 90 м/сек и на лету хватает крошечных насекомых, пролетает как стрела через отверстия чуть больше ее самой. Следовательно, она видит все предметы вокруг себя, и зрительные впечатления у нее не сливаются.
Человек не может уследить за подробностями более или менее быстрых движений. Поэтому нам кажутся иногда странными моментальные снимки идущего человека и т. п.
Правильным будет утверждение, что реальность вещей, как они воспринимаются нашим зрением, вернее передает изобразительное искусство, чем моментальная фотография.
Вслед за «игрушками», подобными изображенным на рис. 125–127, последовал ряд изобретений, позволяющих видеть движущиеся фигуры при вращении дисков. Все эти устройства являлись предшественниками современного кинематографа, и, по существу, действие их всех основано на способности глаза сохранять в течение некоторого времени произведенное на него световое воздействие. Глаз в течение приблизительно 0,1 секунды еще «видит» то, что уже исчезло. Так, в современном кино при смене 24-х кадров в секунду и при перекрытии окна проектора в момент смены кадра особым экраном (обтюратором) наш глаз не замечает этой смены и воспринимает не движение ленты, а более медленное движение фигур, проектируемых на экран.
Одновременный контраст яркости ахроматических поверхностей можно удобно наблюдать, кроме способа, представленного на рис. 107, с помощью диска рис. 129.
Рис. 129
Если этот диск быстро вращать вокруг оси, то получается шесть колец, яркость которых изменяется от белого крайнего до черного в центре диска.
Объективно эти кольца по всей их радиальной ширине будут иметь одинаковую яркость; субъективно же там, где какое-либо кольцо соприкасается с более светлым, оно кажется заметно более темным; там, где оно соприкасается с ближайшим более темным, оно представляется более светлым.
Гельмгольц объясняет это обманом нашего суждения, он говорит: «Человек среднего роста рядом с очень высоким кажется маленьким, потому что в этот момент мы ясно видим, что существуют более высокие люди, но не видим, что существуют также и более низкие. Тот же самый человек среднего роста, поставленный рядом с низким, будет казаться высоким». Ясно, что опыт растушевки темного пятна по всей поверхности диска при его вращении связан с явлением сохранения зрительного впечатления. Такой же опыт предпринимается с цветным диском для наблюдения явления смешения цветов.
На принципе сохранения зрительного впечатления в течение десятых долей секунды основаны применяемые сейчас в технике стробоскопические[15] методы измерения длительности периодов быстро протекающих процессов.
Так, например, наблюдатель, вооруженный быстродействующим затвором, рассматривает сквозь него вращающийся диск, причем срабатывание затвора происходит как раз в такой момент времени, когда диск занимает строго определенное положение. При частоте срабатывания затвора более 10 раз в секунду некоторый сектор диска или радиус, прочерченный на нем, будут казаться наблюдателю неподвижными.
Иной способ получения стробоскопического эффекта заключается втом, что исследуемую вращающуюся деталь освещают кратковременными световыми вспышками. Если частота повторения вспышек совпадает с числом оборотов детали в секунду, а интервал между вспышками меньше 0,1 секунды, то в этом случае вращающаяся деталь покажется наблюдателю неподвижной.
Телевидение также использует закон сохранения зрительного впечатления. В этом случае на люминесцирующем экране электронно-лучевой трубки приемника электронный луч, с очень большой скоростью, как бы «рисует» изображение видимой нами картины, двигаясь по горизонтальным строкам и от строки к строке смещаясь по вертикали. На самом деле он в точности повторяет движения другого электронного луча, движущегося таким же образом по изображению, полученному в передатчике телестудии.
Вследствие большой скорости перемещения электронного луча от верхней части экрана строчками до нижней его границы, мы не замечаем этого движения, но воспринимаем все изображение в целом. Электронно-лучевой метод разложения изображения, передаваемого на дальнее расстояние, был впервые предложен в 1907 г. русским ученым Б. Л. Розингом.
Весьма интересная иллюзия, связанная с появлением цветной окраски на черно-белом вращающемся диске (рис. 130), наблюдалась еще в прошлом веке Бенхэмом и используется теперь в психофизиологических опытах.
Рис. 130. Диск Бенхэма.
Вращая диск со скоростью 6—10 оборотов в секунду по часовой стрелке при достаточно ярком свете, мы заметим на диске цветные кольца. Более отдаленное от центра кольцо приобретает сине-фиолетовый оттенок, затем следует зеленоватое, желтоватое и красноватое кольца. При вращении диска против часовой стрелки порядок следования цветных колец меняется на обратный. На периферическом кольце другого диска, изображенного на рис. 131, появляется красноватый налет, а на внутренней синеватый, конечно, если этот диск привести во вращение. При увеличении скорости вращения синеватый налет исчезает, и весь диск будет казаться красноватым.
Появление цветной окраски при изменении скорости чередования черных и белых полос привлекает сейчас внимание исследователей, работающих над проблемами цветного телевидения. Однако существующие объяснения этой иллюзии нельзя считать полными и исчерпывающими.
Многие иллюзорные движения объясняются как явлением сохранения зрительного впечатления, так и некоторыми еще недостаточно выясненными физиологическими явлениями, имеющими место в процессе зрительного восприятия (рис. 132–135).
Известен ряд явлений иллюзорного движения при наблюдении за движущимися объектами через щель или небольшое отверстие в экране. Так, например, если перед щелью в экране со стороны, противоположной от наблюдателя, перемещать круглый диск, то он кажется нам эллипсом, при быстром движении диска покажется, что большая ось эллипса лежит вертикально, а при медленном движении она кажется горизонтальной.
Примеры иллюзорных движений весьма часто встречаются нам в обычных условиях; приведем здесь еще некоторые из них.
Так, из окна быстро движущегося поезда мы видим, что движутся все предметы окружающего поезд ландшафта. Наблюдая луну в облачную ночь, мы видим, что она быстро перемещается относительно неподвижных облаков.
«Над полями, да над чистыми месяц птицею летит…», — поется в русской народной песне. Совершенно справедливо китайское изречение: «Посмотри сквозь перила моста, и ты увидишь, как мост плывет по неподвижной воде». Спицы быстро движущегося велосипеда кажутся нам слившимися; колеблющаяся струна нам представляется расплывшейся между неподвижными узлами, и т. д.
В некоторых старых учебниках физики способность глаза сохранять некоторое время зрительный образ рассматривалась как один из недостатков нашего органа зрения. Однако, имея в виду этот «недостаток», человек создал такие сильные и общедоступные формы искусства, какими являются кино и телевидение.
З В О Н О К НА У Р О К
