ОПТИЧЕСКИЕ ИЛЛЮЗИИ

Оптические иллюзии – несоответствующее действительности представление видимого явления или предмета в следствие особенностей нашего восприятия. Не точена информация, передаваема через глаза, вмешивается работа мозга, а также оптические иллюзии можно объяснить с точки зрения физики. Обо всём по порядку.

Глаза - это первый пункт восприятия. Фоторецепция: световые лучи проходят через зрачки глаз и возбуждают клеточные рецепторы в сетчатке глаза. Но глазной аппарат - не точный прибор. У человеческого зрения есть слепые пятна, мир мы воспринимаем лишь в 2D. Также мы можем иметь индивидуальные особенности зрения как незначительного, так и болезненного характера. Самые распространённые недуги: близорукость, дальнозоркость, астигматизм.

Восприятие цвета зависит от внешних условий: освещение дневное, электрическое или свечами. Один и тот же цвет будет выглядеть иначе. Однако, зрение человека адаптируется к условиям и идентифицирует цвет как один и тот же.

Далее выполняется передача и базовая обработка: сигналы, которые создают клеточные рецепторы глаза, передаются через зрительный нерв в мозг. Сначала сигнал проходит через оптические хиазмы (где информация из правого поля зрения направляется в левое полушарие, а из левого поля зрения - в правое полушарие), затем информация поступает к боковому коленчатому телу и таламусу. После этого дело доходит до самого мозга, где происходит восприятие и обработка информации, чтобы мы могли использовать её. Но присутствуют некоторые нюансы. Во-первых, мы имеем задержку в передачи сигнала на 1/10 секунды. Во-вторых, наш мозг знает о несовершенстве глаза и достраивает видимое изображение. Именно поэтому наблюдая мир в режиме 2D мы думаем, что он для нас открыт как минимум с 3 сторон. Также это помогает ориентироваться на местности и видеть объёмными изображения на плоскости. Из-за такой особенности как воображение мы видим невозможные фигуры, наблюдаем иррадиацию, внешнее давление на размер изображения, иллюзию искривления.

Воображение позволяет нам видеть удивительные вещи наяву. К примеру, как по якобы восходящему склону незаведённая машина двигается вверх, когда на самом деле склон направлен в другую сторону. А теперь обратимся к одному из разделов физики.

Для того, чтобы разобраться, что такое оптическая иллюзия в физике, рассмотрим некоторые оптические явления.

Радуга – разноцветная дугообразная полоса на небесном своде, образующаяся вследствие преломления белого солнечного света на спектры через дождевые капли, как через призмы. Иллюзия радуги – видение её как полуоси над горизонтом. Когда на самом деле она является окружностью. Полную радугу можно наблюдать с орбитальных станций. Наблюдается она при условии, что Солнце не выше 43° над горизонтом.

Немецкий монах Теодорих был первым, кто изучал радугу. В 1304 году он воссоздал её, используя сферическую колбу с водой. Но открытие было забыто. И только в XVII веке знаменитый французский философ и математик Р. Декарт объяснил основные закономерности образования радуги.

Рано утром или поздно вечером, при небольшой облачности можно заметить прекрасный закат или рассвет. Явление, называемое зарёй - это свечение неба, вызываемое отражением солнечных лучей от верхних слоёв атмосферы. Гало – оптический феномен светящегося кольца вокруг источника света.

Первые наблюдения этого весьма редкого явления были еще в древности и описывали его как восход четырёх Солнц на небе. Подобным явлениям в старину приписывали мистические значения. Гало восприняли как вестника беды.

Гало обычно наблюдается вокруг Солнца и Луны, но это явление можно иногда заметить и вокруг других мощных источников света. Преимущественно причина возникновения гало – отражение света от ледяных кристаллов в перистых облаках на высоте от 5 до 10 километров в верхних слоях тропосферы. Нередко свет разлагается в спектр через эти кристаллы, тогда гало похоже на радугу. А в тусклом лунном гало цветов мы невидим из-за особенностей сумеречного зрения. В зависимости от расположения кристаллов гало характеризуют как тот или иной вид.

Вышеперечисленные явления тяжело назвать иллюзиями. Все они вполне реальны и не создают обманное представление реальности. Что не скажешь о следующем.

Самая опасная из хорошо известная для путешественников иллюзия – миражи. Это оптическое явление в атмосфере: преломление света на границе между резко различными по плотности и температуре слоями воздуха.

Классификация:

• Нижний мираж
• Верхний мираж
• Боковой мираж
• Фата-моргана
• Объёмный мираж
• Фантом дальнего видения

Когда температура падает с возрастанием высоты образуется нижний мираж. Проще говоря, нижние миражи появляются при наличии сильно разогретой ровной поверхности. Этот вид характерен для пустынь, асфальта. Наблюдатель думает, что видит лужу или озеро, когда на самом деле его там нет.

Когда температура прямо пропорциональна высоте возникают верхние миражи. Найти сильно охлаждённые ровные поверхности можно в полярных регионах. В зависимости от расстояния до истинного объекта верхние миражи могут быть прямыми и перевёрнутыми. Но чаще они состоят из прямых и перевёрнутых частей словно из мозаики. Лучи света могут перемещаться на большие расстояния, когда кривизна лучей совпадают с изгибом Земли. Такая особенность называется эффектом Новой Земли. Название запечатлеет историю не очень удачного путешествия Баренца, когда в поисках Новой Земли он и команда корабля заплыли в льдины и были вынуждены пережидать полярную ночь.

На плоских вертикальных поверхностях сильно разогретых или сильно охлаждённых появляются боковые миражи.

Оазис для путника в пустыне – спасение, это чудный островок растительности, расположенный около естественного водоёма, изолированный от других крупных массивов растительности и воды. Но, по легенде, коварная фея Моргана, жаждущая человеческих душ, обманывает путников, посылая им видения чудесных оазисов. Целые караваны меняют направление в сторону оазиса, чтобы запастись водой и отдохнуть, спрятаться на время от палящего солнца, но так и не находят рай в пустыне. Оазис вдруг всё дальше и дальше, и вдруг он вовсе исчезает. На самом же деле это не колдовство или чародейство беспощадной феи, а один из видов миражей. Легенда одарила его именем Фата-Моргана. Красивейший из миражей встречается очень редко, но в Мессинском проливе, отделяющем Сицилию от Апеннинского полуострова, это обычное явление. Когда над теплой водой образуется слой холодного воздуха, над морем возникают волшебные замки, которые меняются, растут, исчезают. Легенда гласит, что эти замки − хрустальная обитель феи Морганы. Фата-Моргана -  сложный мираж. Зависимость температуры от высоты должна быть нелинейной. При более резком переходе могут возникнуть тройные изображения. Под влиянием ветра и вертикальных воздушных потоков слой холодного воздуха может искажаться, изменять толщину, перемещаться по высоте. Поэтому как верхнее, так и нижнее изображения будут изменяться со временем, создавая картину сменяющих друг друга видений.

Объёмный мираж характерен для горной местности и обусловлен большим содержанием молекул воды в воздухе. При объёмном мираже можно увидеть искажённого самого себя с достаточно близкого расстояния.

Помимо вышеперечисленных миражей существует так же мираж дальнего видения. При таких миражах можно увидеть объекты, которые находятся далеко за горизонтом. Одним из самых ярких примеров наблюдения миража дальнего видения было в городе Вервье (Бельгия). В июне 1815 г. жители города увидели утром в небе битву при Ватерлоо, и так ясно, что можно было различить костюмы артиллеристов и даже, например, пушку со сломанным колесом, которое вот-вот отвалится. Данное наблюдение было подтверждено множеством очевидцев. Но самым интересным в том наблюдении было, конечно же, то, что расстояние от Вервье до Ватерлоо по прямой линии составляло более 100 км.

Множество старинных описаний миражей можно часто встретить в литературе. К примеру, в произведении Чехова «Черный монах» тоже описан мираж дальнего видения: «Тысячу лет тому назад какой-то монах, одетый в чёрное, шёл по пустыне, где-то в Сирии или Аравии… За несколько миль от того места, где он шел, рыбаки видели другого черного монаха, который медленно двигался по поверхности озера. Этот второй монах был мираж …»

В один из жарких дней 1879 года Крейсон Пратс и Лекман Донрс неожиданно увидели стремительно надвигающуюся на них волну. Они бросились бежать, но через пару миль обессиленные упали на землю, с ужасом наблюдая, как их накрывает стена воды. От страха Лекман потерял сознание, а Крейсон зажмурился. Но когда очнулся и его товарищ, они оба безумно удивились, что никакой воды нет, вокруг все сухо, а в дали все так же, как раньше, спокойно колышется морская гладь. В последующем они рассказали о своем странном наблюдении знакомым, поняв, что наблюдали мираж. Их наблюдение в будущем по праву призналось самым большим миражом за историю наблюдений.

Древних наблюдений миражей существует множество. Нередко в давности небесные знамения даже меняли ход исторических событий. Когда-то люди их опасались, считая посланиями свыше.

Посмотрев на красивое ночное небо, мы можем увидеть звёзды и созвездия. Но их видимое расположение все лишь иллюзия. Из-за преломления в атмосфере световых лучей от небесных светил меняется их положение на небосводе. Это явление называют рефракцией. Здесь нам это помогает видеть больше звёзд. Ведь на самом деле они расположены ниже их видимого положения. Положение небесного тела, расположенного перпендикулярно горизонту, не искажается рефракцией. А далее, чем ниже видимое положение, тем больше величина рефракции. Таким образом мы можем видеть у горизонта те звёзды, которые фактически давно за него скрылись. Рефракция происходит со всеми небесными светилами. Восход Солнца видимый и истинный отличаются примерно на 3 минуты. 1 минуту разницы даёт прохождение через горизонт половины солнечного диска (16' угловых минут), ещё 2 минуты 20 сек — рефракция (35' угловых минут).

Для наглядности и лучшего понимания таких явлений как рефракция и миражи, проведём опыт. Возьмём небольшой аквариум и наполним его до половины простой водой. Направим световой луч лазера с боку этого аквариума. Если луч направлен под углом мы сможем наблюдать явление полного внутреннего отражения на границе более плотной среды воды и менее плотной среды воздуха. Наша среда однородна, а мы знаем, что распространение света в однородной среде прямолинейно. Луч падающий и луч, отраженный будут прямолинейны. Теперь изменим среду нашего аквариума. Нальём на дно раствор соли в воде, а сверху осторожно вольём простую воду. В этом случае луч искривится. Показатель преломления чистой воды меньше показателя преломления соляного раствора в воде. Поэтому мы также наблюдаем полное внутренне отражение на границе двух сред (вода и раствор соли в воде), но уже не в точке, а постепенно из-за постепенного градиента сред, т.е. постепенного изменения плотности. Луч дугообразный. Почему? Сначала луч идёт снизу-вверх до точки отражения. Луч проходит через две среды: снизу оптически более плотная, сверху оптически менее плотная. Мы знаем, что в этом случае угол падения меньше, чем угол преломления. Луч стремится отклониться от перпендикуляра. После полного отражения в верхней точки, луч идёт вниз. Теперь он проходит из оптически менее плотной в оптически более плотную среду. А в этом случает угол падения больше угла преломления, теперь луч стремится приблизиться к перпендикуляру. Приблизительно то же самое происходит со световыми лучами при их прохождении через разные по плотности температуре слои воздуха.

Более подробно мною были рассмотрены миражи. Они поражают природой своего явления. В большинстве известных случаев миражи уводили целые караваны в глубины пустынь на обретение смерти, сбивали мореплавателей с курса. Кто знает, быть может, в будущем мы научимся использовать миражи в пользу для человечества. Тогда это будет великим открытием.

Список литературы:

1. Перельман, Я. И. Знаете ли вы физику? / Я. И. Перельман. — М.: Издательство Юрайт, 2018. — 238 с. — (Серия: Открытая наука). — ISBN 978-5-534-09637-8. — Режим доступа: www.biblio-online.ru/book/DC8BB69F-7A31-4789-9A38-4445089D294C.
2. Перельман, Я. И. Занимательная физика. В 2 кн. Книга 1 / Я. И. Перельман. — М.: Издательство Юрайт, 2018. — 192 с. — (Серия: Открытая наука). — ISBN 978-5-534-07255-6. — Режим доступа: www.biblio-online.ru/book/44F87A95-1F2E-4058-8028-86E07EC21574.
3. Васильев, А. А. Физика: учебное пособие для СПО / А. А. Васильев, В. Е. Федоров, Л. Д. Храмов. — 2-е изд., испр. и доп. — М.: Издательство Юрайт, 2018. — 211 с. — (Серия: Профессиональное образование). — ISBN 978-5-534-05702-7. — Режим доступа: www.biblio-online.ru/book/0FDD4E6F-2916-436E-8A27-B851F461AE6B.