Отражения в зрачке и «волшебные» стёкла
Валерия Сирота
«Квантик» №7, 2020
В фильме «Шерлок Холмс и доктор Ватсон» знаменитый сыщик говорит, что проверил, правда ли в зрачке жертвы остаётся изображение убийцы, и пришёл к выводу, что это полная чушь1. Однако в зрачках живого человека вполне может отражаться то, на что он смотрит, — например, на этих фотографиях в зрачке отражаются фотограф и смартфон, на который он снимает.
Но ведь зрачок — это пустое место, отверстие, через которое в глаз попадает свет! Там как раз ничего нет! Как же тогда получается отражение? И почему именно там, в зрачке, отражение получается даже лучше (как видно на фотографиях), чем от радужной оболочки глаза — цветного кольца, окружающего зрачок?
Прежде чем читать дальше, попробуйте сами ответить на эти вопросы!
***
В одной из задач в прошлом номере «Квантика» читателей спрашивали, как может быть устроено «одностороннее зеркало»: с одной стороны оно пропускает свет, как окно, а с другой — отражает, как зеркало.
В московском музее «Экспериментаниум» есть такой экспонат — «Волшебное стекло». По обе стороны от него — по стулу, возле каждого стула — лампочка. Два человека садятся напротив друг друга, и один из них включает свою лампу. И вот чудеса: тот, кто в тени, видит через стекло того, кто включил лампу и осветил себя; а тот, кто включил лампу... видит своё отражение. Для одного стекло прозрачное, для другого — это зеркало.
Но если лампу включит другой, а первый выключит — они поменяются ролями! На самом деле стекло обычное. Секрет в том, что любое стекло пропускает не весь падающий на него свет; небольшую часть света оно отражает. С той стороны, где лампа, на стекло падает много света; большая его часть проходит сквозь стекло и попадает, в том числе, в глаза того, кто сидит в темноте. Вот он и видит то, что за стеклом, — как в окне. Но небольшая часть, отражённая назад, попадает в глаза тому, кто освещён, — это немного, и его отражение получается неярким, но ведь ничего другого с той, теневой, стороны ему в глаза не попадает!
А что будет, если второй человек тоже включит лампу? Для него самого мало что изменится — ведь основная часть «нового» света уйдёт через стекло к его напарнику. А вот напарник уже не будет видеть собственного тусклого отражения на ярком фоне того, кто за стеклом.
«Одностороннее зеркало» есть и у вас дома; но оно работает как зеркало не всегда, а только вечером или ночью. Это окно. Днём вы хорошо видите через стекло улицу, людей на ней, соседние дома... Оконное стекло почти без искажений пропускает уличный свет. А вечером, когда на улице темно, вы, подойдя к тому же окну, видите своё отражение!
Теперь понятно, почему: днём на улице света много, и на фоне яркой улицы мы не видим своего совсем слабенького отражения. Тёмным вечером с улицы никакого света не приходит, а в комнате светло — вот вы и видите отражение комнаты. Причём себя вы, скорее всего, увидите только в виде силуэта — вы ведь стоите лицом к окну, и лицо ваше вряд ли освещено. Чем ближе вы к окну, тем темнее ваше отражение. Однако если вы выключите в комнате свет — окно снова перестанет быть зеркалом...
Кстати, с экраном телефона или компьютера та же история — когда он выключен, а вы хорошо освещены, его можно использовать как зеркало. А «настоящих» односторонних зеркал в природе не бывает: если свет проходит через какую-то среду в одну сторону, он может проходить и в обратную.
Где ещё работает этот эффект? Те, кто учатся рисовать, знают, что окна домов снаружи выглядят днём тёмными, а вечером — светлыми. Причина та же самая: днём снаружи светлее, чем внутри, поэтому от оконных стёкол отражается больше света, чем проходит через них изнутри. И вы, конечно, сами догадаетесь, почему ярким солнечным днём нехороший человек, подглядывающий в чужие окна, вынужден вплотную прижиматься к стеклу лбом, а вечером в освещённой комнате и люди, и предметы видны издалека.
Теперь вернёмся к вопросу про отражения на фотографиях глаз, который мы задали в начале этой статьи. Свет, падающий снаружи, отражается не от самого зрачка, а от поверхности глаза. Точнее, от тонкой плёнки жидкости, нужной для защиты от пыли, ветра, солнца и т. д. Почему же отражение в зрачке чётче и контрастнее, чем вокруг него, ведь над радужной оболочкой та же плёнка? Как раз потому, что в этом месте за плёнкой — пустота2, из глубины глаза наружу никакие лучи не приходят. Как из окна при взгляде на тёмную ночную улицу. И ничто не мешает нам разглядеть отражение на чёрном фоне. А радужка и сама отражает прошедший через плёнку и попавший на неё свет — благодаря этому мы её видим. Этого «фонового» света больше, чем отражённого от плёнки; поэтому на яркой радужке слабенькое отражение от ровной поверхности плёнки малозаметно.
Кстати, на более светлой и яркой голубой радужке отражение видно хуже, чем на коричневой: чем темнее фон, тем меньше от него «своих» лучей и тем лучше для отражения.
А вот вам ещё вопрос: почему это в зеркале, или на ровной поверхности воды, или на гладкой поверхности металла мы видим отражение, а при взгляде на другие поверхности (вот на радужку, например, или на собственную руку) видим сами эти поверхности?
Фото автора
Художник Алексей Вайнер
1 В повести Конан Дойля «Этюд в багровых тонах», по которой снят фильм, такого эпизода нет. Придумали его создатели фильма или взяли из какого-то другого произведения Конан Дойля — автору неизвестно.
2 Честно говоря, не совсем пустота: перед зрачком есть ещё роговица, прозрачная «нашлёпка» — линза, покрывающая зрачок вместе с радужкой. И сам зрачок, который действительно представляет собой дырку в радужной оболочке, заполнен жидкостью. Но для нашей задачи это несущественно, хотя и очень важно для нормальной работы глаза: все эти среды прозрачны и не отражают, а только пропускают свет внутрь.
Синим показан свет, идущий от радужной оболочки, а красным — свет от предмета (фотографа), отражённый поверхностью плёнки. Жёлтые — «посторонние» лучи света от других предметов. На фоне яркой радужки отражение малозаметно («красный» луч слабее «синего» и может быть не виден на его фоне), а от области зрачка других лучей, кроме «красного», не исходит, поэтому отражение хорошо видно