Оптическая иллюзия или обман зрения?
статья по физике (9 класс)

Оптическая иллюзия или обман зрения?

Оптическая иллюзия. История изучения.

Зрение человека – удивительная вещь: оно может видеть даже то, чего нет, или наоборот – не видеть того, что есть. Подобное чаще всего случается, когда человек сталкивается с оптической иллюзией – впечатлением о видимом явлении или предмете, не соответствующем действительности, то есть с оптическим обманом зрения.

Слово "иллюзия" с латыни переводится как "заблуждение, ошибка", это означает, что иллюзии издавна толковались как сбои в функционировании зрительной системы. Большое число исследователей занималось и продолжает заниматься изучением причин возникновения иллюзий. Некоторое число зрительных обманов уже объяснено с научной точки зрения, другая часть – пока еще нет.

Человеческий организм, как часть этого огромного загадочного мира, является очень сложной системой. И часто, процессы, происходящие не только вокруг, но и внутри нас, объяснить совсем не просто. На существование оптических иллюзий обратил внимание ученых в 1854 г. Оппель, и в последующие полвека этот вопрос привлекал как физиков, так и психологов.

Итак, можно сказать, что оптическая иллюзия — это впечатление о видимом предмете или явлении, то есть оптический обман. Но как изображение попадает к нам в глаз? Этот вопрос оптики имеет несколько теорий.

Оптика — одна из древнейших наук, тесно связанная с потребностями практики на всех этапах своего развития. Прямолинейность распространения света была известна не менее чем за 5 тыс. лет до н. э. и использовалась в Древнем Египте при строительных работах. Над существом оптических явлений размышляли Аристотель, Платон, Евклид, Птолемей. Первые высказывания о природе света были сделаны древними греками и египтянами. Согласно одной из этих теорий, свет, подобно течению воды из трубы, выходит из глаз человека, благодаря чему мы и видим окружающий мир. Согласно Пифагору (450 лет до н. э.), тела становятся видимыми благодаря попаданию в глаз частиц, вылетающих из тел. Эти частицы Демокрит (460–370 лет до н. э.) назвал атомами. Подобные догадки относительно природы света были опровергнуты Аристотелем. Согласно Аристотелю, свет, передаваясь через посредство прозрачной среды, расположенной между объектами и глазом, вызывает зрительное действие. Эта идея Аристотеля как бы положила начало о светоносной среде — эфире. В 17 в. Кеплер высказал свое предположение относительно природы света. Согласно Кеплеру, свет представляет собой частицы, излучаемые веществом — источником. Он считал распространение света мгновенным процессом. Последовательная теория о природе света была выдвинута Ньютоном.

С позиций физической оптики глаз человека следует относить к так называемым центрированным оптическим системам. Для них характерно наличие двух и более линз, имеющих общую главную оптическую ось. При построении изображения предмета центрированная оптическая система представляется как одно целое, но ход лучей в ней определяется с помощью шести кардинальных точек; передней, и задней глазных, передней и задней узловых, переднего и заднего фокуса (рис. 1).

Рис. 1

Оптическая система глаза. F и F1- передний и задний фокусы на оптической оси, H и H1 – передняя и задняя главные плоскости, N и N1 – передняя и задняя узловые точки, Z – центр вращения глаза, Q – точка пересечения оптической оси глаза с сетчаткой.

В соответствии с законами оптики расстояние до предмета отсчитывается от передней, а до изображения - от задней главных точек. Световой луч, проходящий через первую узловую точку, не преломляется в ней, а, смещаясь, выходит из второй узловой точки и идет далее параллельно своему первоначальному направлению. Передний и задний фокусы - точки соединения параллельных лучей, падающих на систему.

Световые лучи попадают от окружающих предметов в глаз через роговицу. Роговица в оптическом смысле - это сильная собирающая линза, которая фокусирует расходящиеся в разные стороны световые лучи. Преломившись на передней и задней поверхности роговицы, световые лучи проходят беспрепятственно через прозрачную жидкость, заполняющую переднюю камеру, вплоть до радужки. Зрачок, круглое отверстие в радужке, позволяет центрально расположенным лучам продолжить свое путешествие внутрь глаза. Далее свет преломляется хрусталиком. Хрусталик тоже линза, как и роговица. Его принципиальное отличие в том, что у людей до 40 лет хрусталик способен менять свою оптическую силу - феномен, называемый аккомодацией. Таким образом, хрусталик производит более точную дофокусировку. За хрусталиком расположено стекловидное тело, которое распространяется вплоть до сетчатки и заполняет собой большой объем глазного яблока. Лучи света, сфокусированные оптической системой глаза, попадают в конечном итоге на сетчатку. Сетчатка служит своего рода шарообразным экраном, на который проецируется окружающий мир. Роговица и хрусталик - это две собирательные линзы, и изображение, проецируемое на сетчатку, также перевернутое. В сетчатке оптическая информация воспринимается светочувствительными нервными клетками, кодируется в последовательность электрических импульсов и передается по зрительному нерву в головной мозг для окончательной обработки и сознательного восприятия (рис. 2).

Рис. 2 Строение глаза

Несмотря на то, что история научного изучения оптических иллюзий насчитывает около 150 лет, знакомы с этим явлением люди были еще в глубокой древности. С давних времен путешественники и мореплаватели сталкивались с миражами в пустынях и на просторах морей. Тогда они пугались иллюзий, так как были не способны объяснить это явление и думали, что это результат действий злых духов. Многие путники, введённые в заблуждение, меня свой маршрут и погибали. О миражах складывали легенды и строили ужасающие теории. Важно отметить, что, сталкиваясь с разными природными иллюзиями, люди научились использовать в своих целях определенные оптические закономерности. Еще в Древней Греции эти закономерности целенаправленно применялись в архитектуре для создания желаемых пространственных впечатлений, например, для кажущегося увеличения высоты и площади залов. Архитекторы иногда намеренно нарушали геометрию строения: изменяли пропорции, отклоняли элементы от вертикали или горизонтали, искривляли их контуры и т. п. С помощью таких приемов им удавалось «перехитрить» зрение.

Вскоре оптическими иллюзиями увлеклись и художники — в 1950-х годах появилось целое направление в искусстве, посвященное оптическим иллюзиям — оп-арт (от английского optical art — «оптическое искусство»).

Причины оптических иллюзий

Акт зрительного восприятия — это сложная цепь различных процессов и превращений еще до сих пор недостаточно изученных и понятных. Так как мы смотрим глазами, а видим мозгом. За сложным фотохимическим процессом в сетчатой оболочке глаза следует нервное возбуждение волокон зрительного нерва, которые затем передаются коре головного мозга. Наконец, в пределах коры головного мозга происходит оформление зрительных восприятий; здесь, они возможно, взаимосвязываются с другими нашими ощущениями и контролируются на основе заранее приобретённого нами опыта, и только после этого начальное раздражение превращается в заключительный зрительный образ.

Говоря в общем о причинах зрительных иллюзий (ошибок, обманов), следует, во-первых, указать, что иногда они появляются вследствие специально созданных, особых: условий наблюдения, например: наблюдение одним глазом, наблюдение при неподвижных осях глаз, наблюдение через щель и т. п. Такие иллюзии исчезают при устранении необычных условий наблюдения.

Во-вторых, подавляющее большинство иллюзий зрения возникает не из-за оптических несовершенств глаза, а из-за ложного суждения о видимом, поэтому можно считать, чтo обман здесь наступает при осмысливании зрительного образа. Такие иллюзии исчезают при изменении условий наблюдения, при выполнении простейших сравнительных измерений, при исключении некоторых факторов, мешающих правильному восприятию.

Наконец, известен ряд иллюзий, обусловленных и оптическим несовершенством глаза, и некоторыми особыми свойствами различных анализаторов, участвующих в зрительном процессе (сетчатка, рефлексы нервов). Возможны некоторые искажения зрительных ощущений в результате близорукости, дальнозоркости, дальтонизма и других дефектов зрительного аппарата, не характерных для большинства людей.

В связи с этим выделяются четыре основные причины иллюзии:

*Наши глаза так воспринимают идущий от предмета свет, что в мозг приходит ошибочная информация.

*При нарушении передачи информационных сигналов по нервам происходят сбои, что опять же приводит к ошибочному восприятию.

*Мозг не всегда правильно реагирует на сигналы, приходящие от глаз.

*Еще одной причиной появления оптических обманов являются несовершенства глаза. Зрительные дефекты, такие как близорукость, дальнозоркости, дальтонизма способствуют изменению зрительных ощущений.

Виды оптических иллюзий

Все оптические иллюзии можно разделить на 2 группы:

Естественные - это те, что созданы природой. К таковым относятся: миражи, гало и т.д.

Мираж — (франц.) «Отражать, как в зеркале» (рис.3). Происходит из-за многослойности воздуха, каждый из слоев имеет разную температуру, а соответственно и плотность. Световые лучи, проходя через эти слои, преломляются или отражаются, искажая изображение.

Рис. 3 Мираж

Другая разновидность естественных иллюзий, вызванных изменениями во внешней среде, — гало (рис. 4). Это цветные круговые пятна вокруг источника света. Днем гало появляется вокруг Солнца, а ночью — вокруг Луны. Гало вызваны преломлением света при прохождении через ледяные кристаллы.

Рис. 4 Гало

Искусственные, созданы человеком - это самый большой раздел иллюзий. Он включает в себя и известные иллюзионные картинки, различные модели и т.д.

Иллюзии восприятия размера

Они связаны с тем, что одинаковые длины при горизонтальном и вертикальном положении или при наличии дополнительных элементов кажутся разными (рис. 5).

Рис. 5 Иллюзия Эббингауза (1902)

Вся зрительная информация воспринимается с помощью глаз и передается в мозг, который подчас неверно ее трактует. Так он может прибавить яркости, увеличить или уменьшить контрастность. Ты видишь то, что он тебе показывает. Одним из самых важных свойств глаза является умение различать цвета. На разном фоне и при разном контрасте восприятие цвета может искажаться (рис.6).

Рис.6 Автор иллюзии Эдвард Адельсон (1995)

Иллюзии искажения

Параллельные линии будут восприниматься как непараллельные, если их рассматривать на фоне взаимно пересекающихся косых линий. Круг теряет свою правильную форму, если его рассматривать на фоне кривых линий.

Этот вид иллюзий находит свое объяснение в том, что резко выраженные особенности фона влияют на восприятие расположенных, на этом фоне предметов (рис. 7)

Рис. 7 Иллюзия обнаружена Р. Грегори в кафе "Wall" в Бристоле (1979)

Иллюзии восприятия глубины

Это неадекватное отражение воспринимаемого предмета и его свойств. Мозг бессознательно видит рисунки только одно-выпуклые (-вогнутые). Восприятие зависит от направления внешнего (реального или подразумеваемого) освещения (рис. 8).

Кажущиеся фигуры

Эти иллюзии связаны с тем, что на фоне разных объектов и фигур создается впечатление наличия несуществующих фигур (рис. 9)

Двойственные изображения

На рисунках изображения построены таким образом, что в них можно различить разные образы. Это зависит от сосредоточения и настройки ума на тот или иной образ (рис. 10).

Невозможные фигуры и объекты

Один из видов оптических иллюзий, фигура, кажущаяся на первый взгляд проекцией обычного трёхмерного объекта, при внимательном рассмотрении которой становятся видны противоречивые соединения элементов фигуры. Создаётся иллюзия невозможности существования такой фигуры в трёхмерном пространстве (рис.11).

Рис. 11 Невозможный куб Эшера

Перевёрнутые картинки

Вид оптической иллюзии, в которой от направления взгляда зависит характер воспринимаемого объекта (рис. 12).

Рис. 12 Мужик и собачка

Распознавание образов

Иллюзии распознавания образов характеризуются тем, что порой на изображении очень сложно определить то, что на нём изображено.

Иногда сам основной рисунок не позволяет увидеть дополнительное изображение, иными словами не позволяет распознать образ. Если же всё-таки изображение распознано, при последующих просмотрах картинок его уже можно увидеть без труда (рис. 13).

Рис. 13 Лошади

Иллюзии движения

Большинство из них основано на тонкостях сочетания цветов, яркости объектов и их повторе. Все эти уловки вводят в заблуждение периферическое зрение, в результате чего механизм восприятия сбивается, сетчатка фиксирует изображение прерывисто, скачкообразно, и мозг активирует участки коры, отвечающие за распознавание движения (рис. 14).

Рис. 14 Автор Боб Озборн (2004)

Эффект последействия

Этот вид иллюзий называется так потому, что возникает после рассматривания специфических контрастных изображений. Глаз адаптируется к восприятию этих изображений, после чего зрительные ощущения в обычных условиях в течение нескольких секунд являются неверными (рис. 15).

Эффект перцептивной готовности

Эффект перцептивной готовности заключается в том, что глаз "видит" то, что мозг приготовился увидеть, исходя из общего контекста изображения. Обратный эффект - глаз "не хочет" видеть то, чего не ожидает. Такое восприятие основано на том, что весь перцептивный опыт является конечным продуктом процесса категоризации. Воспринимаемый объект содержит набор признаков, из которых человек выделяет информативные и, опознавая объект, совершает операцию отнесения признака к категории (рис. 16).

Рис. 16 Буква "B" или число 13?

В настоящее время оптические иллюзии можно встретить в практике работы архитекторов и художников, работников театра и кино, оформителей книг и светотехников, конструкторов, астрономов и работников других специальностей. Оптические иллюзии очень интересный и необычный феномен, с которым может встретиться в жизни любой человек, но при этом не каждый знает и понимает, что с ним происходит. Зная особенности возникновения оптических иллюзий, человек может анализировать получаемую картинку, понимать, когда глаза его обманывают, а когда изображение полностью реально. Подобные знания могут существенно облегчить жизнь, избавив человека от неприятностей, связанных со зрительными обманами или помочь ему в создании чего-то нового и интересного.