Зачем человеку звёзды на небе

Владимир Сурдин

Из всех органов чувств самым важным для нас является зрение

Количество звёзд, видимых глазом на ночном небе, в первую очередь определяется устройством самого глаза: будь зрение немного острее, и звезд оказалось бы больше, будь оно чуть-чуть слабее, и мы бы не увидели ни одной звезды. Иллюстрация: Олег Сендюрев / ВлВокруг светаВ» по фотографии Reid Parham (SXC license)

Казалось бы, человеку не обязательно видеть звёзды на небе тАФ без них вполне можно прожить. В космосе множество разных объектов и явлений, но мы их не замечаем без специальной техники. Почему же наш глаз видит звёзды, причем не две, не двести и не миллиарды, а несколько тысяч? Существует ли этому разумное объяснение?

Одно из незабываемых впечатлений в жизни каждого человека тАФ ясное ночное небо, в чёрной глубине которого сияют тысячи огоньков тАФ звёзды. Они так прекрасны, что даже не возникает желания задуматься тАФ а почему мы их видим? ВлНу, как же иначе? тАФ удивитесь вы. тАФ Разве можно не видеть звёзд?В» Очень даже можно! Яркость звёзд чрезвычайно мала. Даже у самых ярких среди них она находится вблизи порога чувствительности нашего зрения. Будь этот порог чуть-чуть выше, и на небе не было бы ни одной звезды. И при этом наше дневное зрение практически не потеряло бы своего качества. Днём мы бы просто не заметили перемены в своем зрении. Тем не менее эволюция зачем-то дала нам способность видеть звёзды. Но зачем? Не для того же, чтобы некоторые из нас занимались астрономиейтАж

Известно, что глаза далеких диких предков человека практически не отличались от наших. И не только глаза: не отличалась и вся центральная нервная система, на периферийной части которой глаза расположены. Значит, наши далёкие предки тоже видели звёзды. Но в повседневной жизни троглодита звёзды уж точно не играли никакой роли. Зачем же Homo sapiens (и не он один) видит эти ночные огоньки? Чтобы мое недоумение было понятнее, напомню: чувствительности нашего зрения не хватает, например, чтобы увидеть миллионы звёздных систем тАФ галактик. С точки зрения эволюционной теории, это вполне закономерно: далёкие галактики никак не влияли на жизнь наших предков. Но мы не замечаем на небе даже астероидов, хотя сотни тысяч этих опасных микропланет носятся буквально у нас под носом, заполняя всю Солнечную систему. А звёзды глаз человека почему-то видит, хотя они ничем нам не угрожают и вообще (да простят меня астрологи!) не оказывают на нас никакого влияния. Способность видеть звёзды, казалось бы, никак не облегчает нам борьбу за существование. Или все-таки облегчает?

Сетчатка глаза, какой ее видит врач-офтальмолог, чем-то напоминает ночное небо в бурю, а желтое пятно с колбочками тАФ бледную луну. Фото (Creative Commons license): Eliya

Один из важнейших принципов биологической эволюции тАФ экономия ресурсов. Повышение чувствительности наших рецепторов, и соответствующее улучшение органов чувств тАФ зрения, слуха или обоняния тАФ требует дополнительных ресурсов, поэтому их чувствительность не поднимается выше того уровня, который обеспечивает необходимые эволюционные преимущества. На протяжении миллионов лет глазу довелось испытать множество метаморфоз, пока он научился видеть и днём и ночью: природе пришлось изрядно ВлпотрудитьсяВ», создавая механизмы адаптации к яркому солнечному свету и механизмы регистрации слабого света звёзд. Неужели звёздная россыпь на ночном небе имела жизненное значение для предков человека и подобных ему животных?

Оказывается, имела. И вот почему. Ясно, что способность видеть не только днём, но и ночью тАФ причем не только при луне, но и в безлунную ночь, когда единственным источником света служит само ночное небо, тАФ дает видам важные преимущества в борьбе за существование. Ведь это только на первый взгляд ночное небо совершенно чёрное. Каждый, кто выглядывал ночью из палатки, знает, что ночное небо не абсолютно тёмное тАФ оно слабо, но вполне заметно светится! Чтобы в безлунную ночь различать дорогу и силуэт врага или жертвы, минимальная чувствительность зрения должна соответствовать яркости ночного неба.

Астрономы установили, что примерно половина излучения ночного неба тАФ это рассеянный свет звёзд. В большинстве своём это звёзды нашей Галактики, причём не все, а только те, что удалены от Земли не более чем на 3000 световых лет (более далекие звёзды скрыты за облаками межзвёздной пыли). А таких близких и видимых звёзд около 100 миллионов. Примерно столько же в сетчатке нашего глаза светочувствительных элементов тАФ палочек. Поэтому далекие звёзды не видны по отдельности, а сливаются в сплошной темно-серый фон. Попробуем оценить, сколько звёзд в виде отдельных ярких точек на этом фоне сможет увидеть наш глаз.

Небо в безлунную и безоблачную ночь совсем не черное. Хотя человеческое зрение и не способно различать многие миллионы звёзд, их совокупное свечение бывает для него полезно. Фото (Creative Commons license): Stephen Howard

Следует учесть, что разрешающая способность глаза ночью ниже, чем днём. Причин две. Во-первых, при слабом свете зрачок глаза расширяется, и начинают сказываться дефекты роговицы и хрусталика, их отличие от идеальной оптической формы. Так бывает с фотоаппаратом, когда его при полностью открытой диафрагме не удается навести на резкость. Во-вторых, при низкой освещенности мозг суммирует сигналы от нескольких соседних палочек, чтобы результирующий сигнал стал заметнее: поскольку качество картинки невысокое, эффективный размер ВлпикселейВ» можно укрупнить.

Существует несложные способ убедиться, что наш глаз искусно пользуется приемом Влчувствительность за счёт качестваВ». Как известно, ясное и чёткое изображение возникает только в центре поля зрения. Если мы смотрим на предмет в упор, то видим его мельчайшие детали, но стоит немного отвести взгляд в сторону, как изображение расплывается, и мелкие детали становятся неразличимы. Зато недостаток чёткости Влбокового зренияВ» компенсируется его большей чувствительностью к свету: часто тусклую звезду, невидимую Влв упорВ», легко различить боковым зрением, если немного отвести взгляд в сторону.

Итак, на каждый зрительный элемент сетчатки нашего глаза попадает свет от нескольких далеких звёзд, примерно от дюжины. Чтобы изображение близкой звезды проявилось на этом фоне как яркая точка, она должна освещать глаз в десятки раз сильнее этой группы далеких звёзд, то есть в сотни раз сильнее, чем каждая из них в отдельности. Зная основной фотометрический закон тАФ освещенность падает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника света, тАФ нетрудно вычислить, что такая ВлзаметнаяВ» звезда должна быть раз в 20тАУ30 ближе, чем далекие 100 миллионов звёзд фона. Много ли таких близких звёзд, да и есть ли они вообще?

Если радиус сферы уменьшить, для определенности скажем, в 25 раз, то её объем уменьшится в 253 ≈ 15 тысяч раз. Легко видеть, что из 100 миллионов звёзд, равномерно распределенных в пространстве и освещающих наше небо, в этой малой сфере вокруг нас остаётся около 7000 светил. Именно они должны быть заметны нашему глазу как яркие точки на однородном фоне ночного неба. Удивительно, но наш приблизительный расчет оказался весьма точен: именно столько звёзд видит здоровый глаз человека на чистом загородном небе. Вот так биологическая эволюция и борьба с ночными хищниками за свое существование подарила нам в итоге радость созерцания красоты звёздного неба.

Сова видит созвездие Ориона совсем не таким, каким его видит человек тАФ и звёзд в нем больше, и светят они ярче. Иллюстрация автора

Не такими уж бесполезными оказались звёзды. Они действительно освещают наш ночной мир. А теперь давайте пофантазируем. Нам, людям, ведущим дневной образ жизни, для пассивной защиты от хищников достаточно глаз, различающих несколько тысяч звёзд. Но ведь существуют ночные хищники, для которых тёмное время суток тАФ это время активной жизни. Их глаза много чувствительнее наших. Вот бы увидеть ночное небо глазами совы!

Оказывается, в принципе, это возможно: уже не раз звучали предложения переделать глаз человека, чтобы он стал в сотни раз чувствительнее к свету. Дело в том, что природа не использовала всех своих возможностей. Человеческий глаз можно значительно улучшить. Для этого нужно заменить простой хрусталик качественной многослойной линзой большего диаметра и перевернуть светочувствительную поверхность глаза тАФ сетчатку, которая сейчас почему-то расположена у нас задней стороной к свету. После этого мы без труда сможем увидеть миллионы звёзд Млечного Пути и даже другие далёкие галактики. Без всякого телескопа! Правда, человеку со ВлзвёзднымиВ» глазами днём, скорее всего, придется ходить в плотных тёмных очках, спасаясь от яркого солнечного света.

Впрочем, не будем спешить. Возможно, природа когда-нибудь сама изберет этот путь. Если человечество начнет расселяться по планетам Солнечной системы, то на далёких от Солнца планетах смогут жить люди только со ВлзвёзднымиВ» глазами.

А покатАж Чтобы насладиться видом звёздного неба, нужно чуть-чуть больше узнать об устройстве глаза и использовать некоторые нехитрые приемы.

Наш глаз тАФ поразительный оптический прибор. Он совершенствовался миллионы лет и стал очень чувствительным и зорким. Восприимчивость глаза к слабому свету выше, чем у самой хорошей фотопленки и практически такая же, как у дорогой цифровой фотокамеры. Ночью глаз видит слабые звёзды, а днём спокойно переносит яркий солнечный свет, от которого вмиг чернеет любая фотопленка. И только очень дорогие объективы могут тягаться с нашим глазом по четкости изображения: здоровый глаз различает эти две точки двоеточия ( : ) в стандартном печатном тексте с расстояния 3тАУ5 м. А угловое расстояние между ними тАФ всего 1тАУ2 угловых минуты!

А с дорогой техникой и обращаться надо осторожно. Яркий солнечный свет вреден для глаз: их надо прятать за темными стеклами очков. Ни в коем случае не смотреть прямо на Солнце, особенно через оптические приборы тАФ бинокли и телескопы. Иначе недолго потерять зрение!

К наблюдениям ночного неба глаза нужно подготовить. Выйдя из ярко освещённой комнаты на тёмную улицу, сразу можно и не разглядеть звёзды. Не торопитесь, отойдите от фонарей и ярких окон и подождите минут пять-семь, пока глаза привыкнут к темноте, и на небе начнут ВлпоявлятьсяВ» сначала яркие, а затем все более тусклые звёзды.

Паук-скакун. Глаза паукообразных, насекомых и иных членистоногих устроены совсем не так, как глаза млекопитающих. И видят они соответственно совсем другое. Фото (Creative Commons license): James Jordan

Не только человек видит небо тАФ его видят все животные и даже растения; но все тАФ по-разному. У каждого живого существа основой зрения служат светочувствительные клетки. Но в остальном конструкция глаз различается очень сильно. У растений и некоторых простых животных вообще нет глаз как отдельного органа. Например, у дождевого червя одиночные светочувствительные клетки распределены по всей поверхности тела. Поэтому он не видит изображения, а лишь чувствует, с какой стороны от него светлее. Днём он может заметить свет неба и определить, что выбрался на поверхность земли, но не более того. А вот на теле пиявки небольшие скопления зрительных клеток окружены с трех сторон темным непрозрачным пигментом; поэтому к зрительным клеткам свет проникает только с одной стороны, и пиявка может заметить движение жертвы или хищника, а возможно, и бегущие по небу облака.

Даже у высокоразвитых животных глаза сильно различаются чувствительностью к свету и четкостью восприятия. Например, у ночных животных тАФ крыс или сов тАФ зрение намного чувствительнее, чем у человека; для них небо усеяно звёздами гораздо гуще, чем для нас.

Зато по остроте зрения у человека почти нет соперников. Пожалуй, в этом отношении ему не уступают лишь обезьяны, крысы и хищные птицы. А вот кошка, курица или лошадь видят во много раз менее чётко. Что уж говорить о хомячке или пчеле, которые не могут различить даже дисков Луны и Солнца: эти светила кажутся им такими же ВлточкамиВ», как нам звёзды или планеты. Кстати, обычный человек не отличит звёзду от планеты: они нам кажутся точками одинакового размера. Но встречаются счастливцы с особенно острым зрением, которые видят спутники Юпитера и даже Венеру в форме серпа (ведь у нее те же фазы, что и у Луны).

С другой стороны, мелкая пчела или стрекоза, хоть и не могут похвастаться особенно резким зрением, зато различают движения в 10тАУ20 раз более быстрые, чем может различить человек. Для человека полет по небу метеора или вспышка молнии длятся мгновение, а для стрекозы это целый кинофильм.

Так что не будем особенно восторгаться своим зрением, а лучше станем его беречь и тренировать. Ведь оно дарит нам такое наслаждение, как созерцание звёздного небосвода!

Вместе с этим смотрят:

РЖнварiантнi пiдпростори. Власнi вектори i власнi значення лiнiйного оператора

РЖнтерполювання функцiй

Автокорреляционная функция. Примеры расчётов

Актуальные проблемы квантовой механики

Алгебра и алгебраические системы