Факультет

Студентам

Посетителям

Органы чувств как физические приборы

Мы проследили длинную цепь, которая привела нас от элементарных частиц и атомов к таким сложным существам, как человек.

Вы можете спросить, увело ли нас это развитие, из царства атомов или же атомные явления все еще непосредственно влияют на человеческий организм. На этот вопрос можно ответить, изучая функции наших органов чувств.

Если физик хочет измерить интенсивность светового луча, он часто использует фотоэлемент — прибор, который при освещении дает электрический ток, величина которого пропорциональна интенсивности света. Если свет слишком слаб, чтобы вызвать ток, измеряемый обычным фотоэлементом, то к нему подсоединяют примерно такой же усилитель, какой применяется в обычном радиоприемнике. Фотоэлемент с подключенным к нему усилителем может обнаруживать свет даже очень малой интенсивности. Мы получим даже лучший результат, если заменим фотоэлемент фотоумножителем или другой светочувствительной трубкой. При помощи этих устройств чувствительность может быть доведена до такой точки, когда можно обнаружить единичные фотоны.

Как мы заметили в начале второй главы, согласно корпускулярной теории свет состоит из потока фотонов. Наименьшее количество света, которое теоретически возможно обнаружить, это фотон, так как меньшего количества света просто не существует. Фотон невозможно обнаружить непосредственно. Его существование доказывается другими путями; например, различными способами можно зарегистрировать движение электрона, возникшее в результате столкновения его с фотоном. Фотоны рентгеновских лучей и гамма-излучения настолько богаты энергией, что электроны, с которыми они сталкиваются, приобретают высокие скорости, и их сравнительно легко обнаружить. С помощью самых чувствительных инструментов для измерения гамма-излучения. Мы можем получить сигнал почти о каждом фотоне, который достигает измерительный прибор. Поэтому можно непосредственно сосчитать число приходящих фотонов, и с этим достижением мы добились предела теоретически возможного. Но фотоны видимого света обладают гораздо более низкой энергией, и, следовательно, их способность выбивать электроны, которые затем могут быть обнаружены, уменьшилась. Используя лучшие инструменты, созданные до сих пор, мы можем обнаружить в среднем каждый пятый или десятый фотон.

Может ли человеческий глаз сравниться с каким-либо из этих высокочувствительных приборов? Чувствительность глаза сильно колеблется в зависимости от внешних условий. От яркого солнечного света чувствительность понижается, и она бывает максимальной, лишь когда у глаза было некоторое время, чтобы приспособиться к очень слабой освещенности. Степень чувствительности также сильно зависит от цвета, самая высокая чувствительность по отношению к желтому цвету, самая низкая — к красному и синему. Чтобы измерить чувствительность глаза в наиболее благоприятных условиях, мы измеряем чувствительность к желтому цвету после того, как глаз адаптировался в темноте. Такой способ исследования показал, что самый слабый световой сигнал, обнаруживаемый глазом, соответствует нескольким (пяти или десяти) фотонам, прошедшим сквозь зрачок и достигшим сетчатки. Таким образом, в наиболее благоприятных условиях глаз демонстрирует максимум чувствительности, которая только физически возможна.

Сетчатка глаза содержит светочувствительное вещество (зрительный пурпур), которое преобразовывается под действием света. Это преобразованное вещество вызывает нервное возбуждение, которое передается в мозг, где оно воспринимается как свет. Если сквозь зрачок проникает несколько фотонов, можно ожидать, что только один или два достигнут светочувствительного вещества, а каждый фотон изменяет не более одной молекулы зрительного пурпура. Так, наименьшее количество света, воспринимаемое глазом, соответствует изменению одной молекулы или, возможно, двух или трех.

В таком случае функция глаза целиком зависит от атомных явлений: в наиболее благоприятных условиях человеческий глаз регистрирует единичный квант света.

Чувствительность уха также является самой низкой из физически возможных. Если физик хочет измерить звук, он использует микрофон в комбинации с усилителем. Когда звуковые волны достигают мембраны микрофона, они вызывают колебания, которые производят электрические токи, которые, в свою очередь, могут быть усилены. Чем чувствительнее микрофон и усилитель, тем слабее может быть звук, обнаруживаемый с их помощью. Предел, который можно достигнуть, определяется тепловым движением молекул. Так как температура тела выше —273°С (абсолютный нуль), его молекулы находятся в постоянном движении. Мембрана микрофона приводится в движение молекулами воздуха. К тому же молекулы вещества самой мембраны также хаотично перемещаются и вызывают дополнительное беспорядочное движение. Колебания необыкновенно малы, но измерительные приборы настолько совершенны, что обнаруживают даже эту вибрацию. Если звук настолько слаб, что вызываемая им вибрация мембраны микрофона меньше, чем вибрация из-за теплового движения, то, конечно, существование его как физического факта установить невозможно. Мы не можем в таком случае верно определить колебание как «звук», пока оно не будет сильнее, чем тепловое движение молекул. Следовательно, при помощи чувствительного микрофона и усилителя можно обнаружить любой звук, характеристика которого в несколько раз больше, чем при тепловом движении.

Наши звукочувствительные органы расположены в среднем ухе, и когда звук достигает барабанной перепонки, он затем передается в среднее ухо. Звукочувствительные органы начинают колебаться, что воспринимается нами как звук. Чувствительность уха изменяется с частотой звука. Наибольшая чувствительность наблюдается, когда частота звука равна нескольким сотням колебаний в секунду, что примерно соответствует октаве тенора. Минимальная сила, которой должен обладать звук оптимальной высоты, чтобы быть воспринятым ухом, соответствует такой величине, когда он вызывает колебания в среднем ухе в несколько раз больше, чем тепловые колебания молекул. Молекулы звукочувствительных органов среднего уха, как и всех остальных предметов, находятся в тепловом движении и поэтому постоянно колеблются. Если это «естественное» состояние нарушается достигшим уха звуком, то, для того чтобы вызвать реакцию звукочувствительных органов, частота колебания звуков должна быть лишь в несколько раз больше частоты теплового колебания. Таким образом, звук как таковой воспринимается в том случае, если; достигнув среднего уха, он отвечает определению «звука», изложенному выше. Совершенно справедливо, что внешнее ухо могло бы быть устроено так, чтобы

улавливать больше звуков, и проход, ведущий в среднее ухо, мог бы иметь более эффективное устройство. Большим преимуществом была бы также чувствительность уха как к высоким, так и к низким звуковым частотам. Но, несмотря на эти гипотетические замечания, звукочувствительные органы среднего уха, в общем, также чувствительны к тонам оптимального звукового интервала, как и любой физический прибор, созданный для этой цели. Ухо действует в пределах, установленных соответствующими атомными явлениями.

В отличие от чувствительности органов слуха и зрения чувствительность органов обоняния гораздо труднее оценить в терминах аналогичных атомных явлений. Теоретически наименьшее количество вещества — это молекула; но для того чтобы обнаружить запах, необходимо, чтобы большое число молекул достигло слизистой оболочки носа. На основании этого мы могли бы сделать вывод, что у всех людей — как у старого рыбака из традиционной шведской сказки — хорошее зрение, хороший слух, но ужасное обоняние. Однако такое утверждение, по-видимому, неверно, так как количество вещества, необходимое для того, чтобы нос почувствовал запах, часто гораздо меньше количества, необходимого химику для обнаружения вещества.

Прямую связь человеческого тела с миром атомов, проиллюстрированную функционированием глаза и уха, пожалуй, можно назвать ценным и хорошо налаженным наследством от наших древнейших предков, организмов, состоящих лишь из нескольких молекул и отличающихся от амеб, как амебы отличаются от нас.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: