Супер-глаза насекомых. Как видит стрекоза?

Удивительное дело. Спасаясь от июльского зноя, я уже собирался броситься в прохладную воду реки, как вдруг на меня села стрекоза. Решив заглянуть стрекозе в глаза и попытаться выяснить, что она замышляет против меня, я осторожно снял стрекозу и стал внимательно ее рассматривать. И тут вдруг мое внимание привлек глаз стрекозы. О чудо, этот глаз напоминает нечто знакомое! И тут я понял, что глаз стрекозы построен по принципу дифракционной решетки.

Супер-глаза насекомых. Как видит стрекоза?

Если пропускать через систему параллельных чередующихся прозрачных и непрозрачных полос свет с длиной волны порядка расстояния между полосами, то на экране, расположенном за такой оптической решеткой, можно наблюдать систему ярких и темных полос, которые называются интерференционной картиной. Явление огибания электромагнитной световой волной непрозрачных полос решетки называется дифракцией. Отсюда и название – дифракционная решетка.

Система дифракционных пятен в глазу стрекозы сложнее, чем интерференционная картина в эксперименте с дифракционной решеткой из параллельных полос. Центральное пятно (так называемый максимум нулевого порядка) окружен симметрично шестью пятнами (максимумами первого порядка), за которыми можно заметить максимумы высших порядков. Такая структура дифракционных пятен указывает на шестиугольную структуру (как пчелиные соты) дифракционной решетки глаза стрекозы.

Попытайтесь двигаться вокруг неподвижной стрекозы. Система дифракционных пятен будет перемещаться по поверхности глаза. Создается впечатление, что центральное пятно следит за движущимся наблюдателем, перемещаясь по поверхности глаза стрекозы. Интересно, что два наблюдателя увидят каждый свою систему дифракционных пятен, т.е. наблюдатель, находящийся справа от стрекозы не увидит пятна, которое в этот момент видит наблюдатель, расположенный слева. Это меня озадачило, и я стал размышлять, почему глаз стрекозы устроен по такому принципу. Этот принцип позволяет переключать внимание с одних предметов на другие не поворачивая головы и глаз. Разве это не чудо? Кроме того, у такого глаза отсутствует линза, фокусирующая изображение на сетчатку глаза, как у человека, что позволяет уложиться в ничтожный вес органов зрения.

Другой автор этой статьи рассуждал иначе. Дифракционная решетка позволяет разложить излучение с непрерывном спектром длин волн на составляющие, которые отклоняются решеткой на разные углы. В этом случае решетка действует подобно призме, которую И.Ньютон использовал для разложения белого света в цветной спектр, напоминающий радугу. Свет с определенной длиной волны отклоняется дифракционной решеткой на определенный угол. Этот свет можно отсеять от остального разными способами. У стрекозы это осуществляется следующим образом. Шестиугольная структура дифракционной решетки глаза стрекозы аналогична трем дифракционным решеткам с параллельными полосами, которые повернуты на углы по 120 градусов. Такая структура глаза позволяет выделить свет с такой длиной волны, которая соответствует углу отклонения, который приводит к попаданию фотонов в одну точку от всех трех решеток. Для наглядности попытайтесь представить, что произойдет, если три решетки из параллельных прутьев положить одну на другую с поворотом на 120 градусов. Полосы превратятся в пятна, размещенные подобно пчелиным сотам. Свет с другими длинами волн не будет образовывать регулярной картины. Таким образом глаз стрекозы является своеобразным фильтром, настроенным на определенную длину волны. Свет, прошедший через такой фильтр состоит из фотонов с близкими длинами волн. Такой свет физики называют монохроматичным (одноцветным). Именно такой свет используется для создания объемных (голографических) изображений. Для создания голограмм используется луч лазера, который обладает дополнительно свойством когерентности, т.е. параметры световой волны меняются по синусоидальному закону и фазы всех фотонов в каждой точке лазерного луча одинаковы. Дифракционная решетка глаза позволяет оперировать с отдельными фотонами, которые интерферируют сами с собой. Что же происходит с каждым фотоном, который попадает в глаз стрекозы? Учитывая, что в лазерном источнике происходит резонансный процесс формирования луча, можно предположить, что процесс прохождения фотона через дифракционную решетку также носит резонансный характер. Это указывает на резонансные свойства самого фотона, который можно аналогично частицам, которые физики называют короткоживущими резонансами, назвать долгоживущим резонансом. Размер дифракционной картины в глазу стрекозы подскажет Вам приблизительные поперечные размеры фотонов видимого света. Попробуйте по яркости пятен определить приближенно функцию распределения энергии в фотоне от расстояния до его центра. Объясните, почему энергия в резонансной области, соответствующей фотону распределена неравномерно. Подумайте: на какую длину волны настроен глаз стрекозы? Соответствует ли она максимуму излучения Солнца? Нет ли какой-нибудь связи между устройством глаза и окраской стрекозы? Если посмотреть, как окрашен хвост стрекозы, то можно заметить регулярные пятна, цвет которых соответствует длине волны, на которую «настроен» глаз стрекозы этого вида. Это говорит о том, что если рядом со стрекозой появляется другая стрекоза этого вида, то ее регулярная окраска должна вызывать необычный зрительный сигнал, который невероятно сложно встретить случайно. Дело в том, что когда стрекоза смотрит на обычные предметы, у нее на сетчатке возникают регулярные пятна, а если она смотрит на регулярный рисунок, то на сетчатке должна возникать необычная нерегулярная картина, которая либо помогает стрекозе заметить другую стрекозу данного вида, но скорее всего наоборот, помогает уйти от преследования, сбивая зрение преследующей стрекозы в процессе раздела территории обитания. Нет ли какой-нибудь связи между устройством глаза и прозрачностью крыльев? Прозрачные крылья не мешают стрекозе наблюдать предметы, расположенные за ними. Обзор для стрекозы имеет существенное значение, т.к. стрекоза – хищник и ограниченный обзор приведет к тому, что добыча стрекозы приспособится уходить за пределы ее зрения.

Show More
Добавить комментарий