Теория Гельмгольца. Теории функционирования улитки. Теория слуха (резонансная, Гельмгольца)

100 р бонус за первый заказ

Выберите тип работы Дипломная работа Курсовая работа Реферат Магистерская диссертация Отчёт по практике Статья Доклад Рецензия Контрольная работа Монография Решение задач Бизнес-план Ответы на вопросы Творческая работа Эссе Чертёж Сочинения Перевод Презентации Набор текста Другое Повышение уникальности текста Кандидатская диссертация Лабораторная работа Помощь on-line

Узнать цену

Общий подход Г.Гельмгольца к проблеме восприятия сугубо естественно-научный. Отдавая должное собственно психологическим методам исследования (методу анализа и описаний данныхбсамонаблюдений), он не использовал их в своей работе, «поскольку с этим связана необходимость отхода от методов, основанных на достоверных фактах и общепризнанных и ясных принципах» .

Восприятиями Г.Гельмгольц называл чувственные представления о существовании, форме и положении внешних объектов. Основу восприятий, его чувственный материал составляют ощущения, которые и должны быть основной целью изучения. Методы исследования — методы естественных наук. В качестве одной из общих закономерностей формирования зрительных чувственных образов Г.Гельмгольц выделял первое общее правило: при любых воздействиях на органы чувств, пусть даже необычных, «мы всегда видим объекты в поле зрения так, как видели бы их при обычных условиях, если бы получили то же впечатление » .

Это правило означает, что причиной наших ощущений являются только внешние физические воздействия на соответствующие рецепторы органов чувств. Даже давление на внешний угол глазного яблока (явно неспецифическое для зрения воздействие) приводит к ощущению света, идущего со стороны переносицы, поскольку мы механически раздражаем ту часть сетчатки, на которую в обыч-

ных условиях свет падал бы со стороны переносицы. Сформулированное для зрения, это правило является общим для всех видов чувствительности. Другой пример действия этого же правила Г.Гельмгольц приводил, интерпретируя причину возникновения фантомных болей после ампутации конечности: ощущения от отсутствующей ноги или руки в своей основе имеют раздражение остатков нервных волокон. На основе этого правила Г.Гельмгольц также объяснял причину появления иллюзий восприятия: иллюзии возникают не по причине неправильного функционирования органов чувств, а вследствие неправильной интерпретации содержания чувственных ощущений.

Каким же образом из соответствующих определенным органам ощущений возникают целостные образы восприятия? Ответ Г.Гельмгольца ясен и конкретен: восприятия появляются как результат неосознаваемой психической деятельности и по своей форме напоминают умозаключение. Таким образом, механизмом формирования образа восприятия являются бессознательные умозаключения. С помощью этого психического механизма по результатам возбуждения чувствительных нервов восстанавливаются осо-

бенности внешнего объекта. Бессознательные умозаключения по своей сути не являются произвольными актами, мы не можем никак влиять на их результат — образ восприятия, поэтому Г.Гельмгольц, подчеркивая их непроизвольный характер, писал, что они непреодолимы.

Такой непроизвольный или непреодолимый характер чувственных образов может наводить на мысль о том, что есть строгая и однозначная связь между ощущениями и восприятием некоторого объекта, т.е. в восприятиях нет ничего, чего бы не было в соответствующих ощущениях. Г.Гельмгольц однозначно утверждал: связь ощущений и восприятий «в значительной степени основана на приобретенном опыте, т.е. на психической деятельности». Из этого следовало, что на восприятие большое влияние оказывают

опыт, тренировка, привычка.

Второе общее правило, сформулированное Г.Гельмгольцем, следует из опосредствованности содержания образа восприятия прошлым опытом субъекта. Не все ощущения входят в осознаваемый нами образ восприятия, а только те, которые имеют особое значение для восприятия внешних объектов . В правиле содержится очень важная мысль о том, что образ восприятия — это всегда обобщенный образ внешнего объекта, а не детализированный набор всех ощущений. Из этого правила следует то, что образ восприятия имеет предметный характер, поскольку в нем отражаются существенные свойства объекта. Из него также следует, что далеко не весь субъективный опыт нами осознается, некоторая его часть не входит в образ восприятия.

Таким образом, Г.Гельмгольц достаточно определенно ставил вопрос о двойственности восприятия, о чувственной основе и предметном содержании перцептивного образа. В его работе, пожалуй, впервые была четко сформулирована мысль, что «хотя как будто нет ничего легче осознания своих собственных ощущений, опыт показывает, что для их обнаружения нередко нужен особый талантѕ» . Привлечь свое внимание к ощущениям — особое дело, для этого необходимо отвлечься от предметного содержания чувственного образа, например введя фактор необычности при восприятии чего либо. И Г.Гельмгольц дал прекрасный совет, которым в дальнейшем воспользуются многие психологи-экспериментаторы: чтобы увидеть мир более детально и менее обобщенно, нужно посмотреть на него через линзы, переворачивающие изображение. Например, воспользуемся астрономическим телескопом, направив его на идущих вдали людей. Вместо плавных и слитных движений мы увидим странные скачки и колебания и многие другие особенности индивидуальной походки. «И все это лишь потому, что наблюдение стало необычным» . И наоборот, в перевернутом изображении мы не увидим предметных характеристик зрительного образа — стало «не так легко определить характер походки: легкая она или тяжелая, чинная или грациозная» . Таким образом, в обычных условиях восприятия достаточно трудно определить, что в нашем образе от его чувственной основы — ощущений, а что привнесено опытом.

Характеризуя основные виды образов, Г.Гельмгольц дал определение трем из них, тем самым показав специфику образов восприятия.

Понятие образ в представлении — относится только к впечатлениям, не имеющим текущей чувственной основы, это образ прошлых впечатлений.

Понятие перцептивный образ — относится непосредственно к восприятию, которое сопровождается соответствующими чувственными ощущениями.

Понятие первичный образ — относится к совокупности чувственных впечатлений, формирующихся на основе текущих ощущений и не имеющий в своей основе прежнего опыта.

Таким образом, перцептивный образ образуется в процессе взаимодействия прежнего опыта (большая посылка) и текущих чувственных ощущений (малая посылка), механизм такого взаимодействия аналогизируется с результатом логического вывода — умозаключением, которое по своей форме бессознательное. Именно поэтому, воспринимая окружающую нас реальность, мы не в состоянии осознать, в какой степени содержание наших образов зависит от памяти, а в какой — от их непосредственной чувственной основы.

В заключение остановимся на нескольких мыслях Г.Гельмгольца о природе нашего восприятия, послуживших основой концепций в современной психологии. Подчеркивая роль понимания в

построении образа восприятия в условиях сенсорной неопределенности, Г.Гельмгольц тем самым предвосхитил идеи Дж.Брунера и других психологов о восприятии как процессе проверки перцептивных гипотез.

Из понимания восприятия как синтеза текущих ощущений и прошлого опыта следует представление Г.Гельмгольца об иллюзиях восприятия, причины которых он видит в нарушении нормального восприятия: дефицит опыта, дефицит времени или нарушение нормальных условий наблюдения.

При характеристике процессуального аспекта восприятия Г.Гельмгольц указывал на его активный характер: «Мы не просто пассивно поддаемся потоку впечатлений, а активно наблюдаем, т.е. так настраиваем свои органы чувств, чтобы различать воздействия с максимальной точностью» . Он подчеркивал, что в процессе восприятия мы выбираем такой способ наблюдения, чтобы с его помощью успешно рассматривать и сравнивать. Эти мысли великого ученого подразумевают подход к восприятию как системе перцептивных действий, в которых включены не только афферентные, но и эфферентные звенья.

В понимании вопроса о преимущественной роли врожденных механизмов или приобретаемого субъектом опыта в восприятии Г.Гельмгольц стоял на позиции эмпиризма и критиковал нативистическую точку зрения за излишнее усложнение природы познавательных процессов. На примере формирования пространственных представлений он показал, что гораздо легче и проще предположить, что они формируются в опыте, а не врожденны.

Особое внимание Г.Гельмгольц уделял вопросу о полноте и истинности отражения действительности в перцептивных образах, который решал с позиций практической значимости воспринимаемого предмета в деятельности человека. «Задавать вопрос, верно или неверно мое представление о столе (его форме, твердости, цвете, тяжести и т.д.) само по себе, независимо от возможного его практического использования и совпадает ли оно с реальным предметом или является иллюзией, столь же бессмысленно, как и вопрос о том, какой цвет имеет данный звук — красный, желтый или синий. Представление и его объект принадлежат, очевидно, двум совершенно различным мирам» . Таким образом, он подчеркивал, что истинность чувственного восприятия предмета имеет смысл не сама по себе, а по отношению к практическому использованию этого предмета, а это означает, что в образе восприятия нам открываются те из многочисленных его свойств, которые проявляются в процессе практического взаимодействия человека с миром

Теория Гельмгольца с гениальной простотой разъяснила основные свойства уха, т. е. определение высоты, силы и тембра. Согласно резонансной теории, любой чистый тон имеет свой ограниченный участок на основной мембране.

Одиночный звук, по его мнению, раздражает строго определенные нервные волокна - именно те, которые снабжают соответствующий участок мембраны, и раздражение этих волокон ощущается как звук строго определенной высоты.

Резонансной теорией легко объясняется различение тембра звука и способность уха разлагать сложный звук на его составные части. Каждый сложный звук, согласно этой теории, раздражает столько точек на основной мембране, сколько в нем содержится синусоид, т. е. основной тон и все обертоны вызывают соколебание в соответствующих участках мембраны. Все сигналы из внутреннего уха, дошедшие по системе проводников до слуховых центров, интегрируются в них, и мы слышим соответственный тембровый звук. Сила звука определяется числом раздражаемых нервных элементов. Естественно, чем сильнее звук, тем более широкий участок основной мембраны приходит в соколебание. Гельмгольц допускал резонанс отдельных участков мембраны, но не говорил о резонансе свободно колеблющихся струн. Таким образом, из теории Гельмгольца следует три основных вывода:

1) в улитке происходит первичный анализ звуков;

2) каждый простой звук имеет свой участок на основной мембране;

3) низкие звуки вызывают колебание участков основной мембраны у верхушки улитки, а высокие - у основания ее.

Несмотря на огромное количество новых фактов, полученных при изучении функции внутреннего уха, эти три вывода сохраняют свое значение до настоящего времени.

Первый вывод вполне гармонирует с учением И. П. Павлова о способности к первичному анализу как концевых приборов афферентных нервов, так и в особенности сложных рецепторных аппаратов. Подтверждением вывода о пространственной локализации звуков в улитке явились опыты, предпринятые Л. А. Андреевым. Он вырабатывал у собак слюнной условный рефлекс на ряд тонов. После полного разрушения лабиринта одного уха он изолированно разрушал то основание, то верхушку улитки другого уха и обнаруживал выпадение условного рефлекса слюноотделения то на высокие, то на низкие тоны. Этим было доказано, что в улитке имеет место первичный анализ звуков.

Все работы последнего времени направлены скорее не на отрицание резонансной теории слуха, а на дальнейшее ее углубление и развитие. Новые наблюдения говорят в пользу того, что под влиянием звуков в лимфе улитки происходят сложные гидродинамические процессы и деформации мембран в улитке зависят от них не в меньшей степени, чем от механических свойств самой основной перепонки (Бекеши, Флетчер). При быстрых колебаниях подножной пластинки относительно большая инерция столба лимфы в обеих лестницах не позволяет ему следовать за быстрыми колебаниями стремени. Это обстоятельство и возрастающее трение в scala vestibuli при быстрых колебаниях ведут к такому повышению давления в этом канале, что рейснерова мембрана, а вслед за ней и основная мембрана прогибаются и колебание передается дальше на лимфу барабанной лестницы и на мембрану круглого окна. Чем выше звук, тем ближе к круглому окну (т. е. основанию) получается прогиб основной перепонки. Самые низкие звуки вызывают деформацию ее у верхушки, т. е. поблизости от геликотремы.

Таким образом, за основу для слуховых теорий в настоящее время принимается теория пространственного расположения (place theory) звуков, согласно которой любому тону соответствует определенный участок на основной мембране.

Как видно из изложенного выше, новейшие теории объясняют избирательное отношение основной мембраны к звукам разной высоты не столько механическими свойствами этой мембраны, ее резонансом, сколько сложными явлениями в ушной лимфе, среди которых главное место занимает перемещение ее столба в улитковых ходах. Это перемещение лимфы передается податливым перепончатым образованием, которые деформируются на большем или меньшем протяжении.

Новейшие опыты Бекеши на моделях и на улитке морской свинки действительно показали, что основная мембрана совершает сложные колебания - при высоких звуках волны деформации захватывают главным образом основные завитки, при низких - всю мембрану. Места максимальной деформации соответствует пространственному расположению звуков на основной перепонке, в этих участках наблюдались вихревые движения лимфы.

Следует сказать, что число нейроэпителиальных клеток и нервных волокон вполне допускает раздельное «расположение звуков» на основной мембране. Наблюдения за величиной разностного порога высоты показывают, что человеческое ухо может различать до 1500 градаций высоты (по всему диапазону частот). Тогда на каждый чистый тон пришлось бы до 20 волосковых клеток. На всей основной мембране (длиной около 33 мм) располагалось бы всего 1500 разделенных друг от друга дискретных точек, т. е. каждый соседний тон отстоял бы от другого на 33:1500, примерно на 0,02 мм.

Трудности доказательства правильности пространственной теории возникают потому, что все перечисленные выше наблюдения не дают основания утверждать, что под влиянием чистого звука возникает изолированное раздражение столь малого по протяженности участка - в 0,02 мм. Приходится считаться с воздействием каждого тона на гораздо большем протяжении основной мембраны с максимальной деформацией ее в определенной точке. При этом трудно объяснить, почему ощущается только один тон, так как раздражаются и рядом лежащие участки кортиева органа.

Для объяснения этих фактов приходится пользоваться гипотезами, затрагивающими механизм трансформации механической энергии в нервное возбуждение.

Бекеши, Флетчер и др. допускают, что ощущение высоты возникает благодаря раздражению тех нервных приборов, которые расположены в точке максимального изгиба перепонки; нервные же процессы волосковых клеток, находящихся рядом, при этом тормозятся (эффект контраста).

Другое затруднение состоит в том, что с механической точки зрения (т. е. одной только степенью деформации) невозможно объяснить огромное (в миллионы раз) различие чувствительности уха к разным частотам.

Это затруднение отпадает, если допустить, как это делает П. П. Лазарев, что при механическом раздражении волосковых клеток в них возникает химическая реакция, сила которой зависит от количества разлагающегося вещества (слухового пурпура). При этом освобождаются ионы, которые и вызывают процесс нервного возбуждения.

По новейшим данным, в волосковых клетках всегда имеются запасы гликогена, количество которого уменьшается под влиянием звуковой нагрузки (Я. А. Винников).

О глубоких химических изменениях в спиральном ганглии после сильного звукового воздействия сообщают Хиден, Хамбергер и Нильсон (Hyden, Hamberger, Nilsson). При помощи цитохимического способа и фотографирования в лучах коротковолнового спектра (2670 А) они обнаружили уменьшение содержания рибонуклеиновой кислоты и протеина в ганглиозных клетках, в то время как липоидные фракции клеток количественно оказались неизмененными. Роль медиатора в кортиевом органе играет ацетилхолин (Гиссельсон - Giesselson).

Большой интерес представляет мнение А. А. Ухтомского о том, что явления физического резонанса должны быть дополнены «физиологическим резонансом клеток». Так как одной из основных характеристик нервных клеток является их физиологическая лабильность, то можно допустить, что звуковое давление определенной частоты вызывает максимальный ответ в той клетке, физиологическая лабильность которой резонирует на эту частоту. Таким образом, теория А. А. Ухтомского лишь дополняет остальные, так как не отрицает тех механических явлений, которые имеются в улитке.

Ввиду тех затруднений, которые оказались не вполне объяснимыми пространственной теорией, некоторые авторы (Уивер - Wever, Pебул - Reboul и др.) допускают, что различение высоты определяется двумя факторами - фактором пространственного расположения рецепторных образований и фактором времени, т. е. числом импульсов в секунду. Последнее вполне правдоподобно для частот до 700-1000 Гц, так как такой ритм в неискаженном виде обнаруживается в проводниковой системе. Правильная передача частот нарушается при более высоких звуках, поэтому для них пространственный фактор играет преобладающую роль.

Успехи электрофизиологии органов чувств дают некоторые новые данные о процессах, совершающихся в нервных проводниках и корковых центрах соответствующих анализаторов.

При действии звука в улитке возникают электрические потенциалы - микрофонные токи улитки.

Улитковые (микрофонные) токи повторяют сложную кривую звуковой волны как в отношении амплитуды, так и частоты колебаний до 10 000 Гц и выше. Они возникают в районе основной мембраны, мало изменяются от действия наркотических веществ, при утомлении и улавливаются лучше всего в тех точках, куда благодаря электропроводности тканей они легко проникают. Например, высокочастотные токи особенно хорошо отводятся с мембраны круглого окна.

Микрофонные токи улитки нельзя смешивать с акционными токами, возникающими в нервных образованиях при их возбуждении. При отведении потенциалов с круглого окна всегда получается смесь микрофонных токов и акционных токов слуховых волокон. По времени микрофонные токи улитки возникают несколько раньше, чем акционные токи со слуховых волокон. Токи действия волокон слухового нерва очень чувствительны к действию наркотиков, холода и расстройству кровообращения; при раздражении слухового нерва обнаруживается рефрактерная фаза, т. е. одиночные волокна его передают не больше 500-800 импульсов в секунду. Таким образом, частота нервных импульсов в волокнах слухового нерва не является повторением частоты звуковых колебаний, а представляет собой информацию о различных качествах звука, которая окончательно расшифровывается в корковых концах звукового анализатора.

На основании последних микроэлектрофизиологических исследований рецепции, проведенных Гранитом (Granit), можно думать, что потенциал улитки служит, подобно синаптическим потенциалам мышц, сетчатки и т. д., своего рода генераторным потенциалом.

Токи, обнаруживаемые в центральных проводниках, уже не похожи на токи улитки. С удалением от кортиева органа частота их уменьшается и время возникновения все больше и больше запаздывает.

В подкорковых ядрах звукового анализатора формируется в грубой форме восприятие звука - животное, лишенное коры, реагирует лишь на звуки большой интенсивности. И только в корковом ядре (или конце) звукового анализатора возникает звуковое ощущение, соответствующее сигнальному значению слышимого звука. Корковый отдел не только принимает и анализирует информацию, поступающую из внутреннего уха, но имеет и обратную, эфферентную связь с улиткой, через посредство которой осуществляется регулирующая, настраивающая роль коры в отношении улитки (Ресмуссен, Г. В. Гершуни).

Согласно этой теории, в глазу имеются три вида приемников лучистой энергии (колбочек), воспринимающих соответственно красную (длинноволновую), желтую (средневолновую) и голубую (коротковолновую) части видимого спектра.

Все наши ощущения есть не что иное, как результат смешения в различных пропорциях этих трех цветов.

При одинаково сильном возбуждении трех видов колбочек создается ощущение белого цвета, при равном слабом - серого, а при отсутствии раздражения - черного. При этом глаз воспринимает яркость предметов путем суммирования ощущений, получаемых тремя видами колбочек, а цветность - как отношение этих ощущений.

Трехкомпонентная теория цветового зрения в настоящее время является почти общепринятой. Предполагается, что в каждом виде колбочек содержится соответствующий цветочувствительный пигмент (йодопсин), обладающий определенной спектральной чувствительностью (характеристикой поглощения). Химический состав пигментов еще не определен.

Но, рассмотрим вклад ученых разных стран в эту теорию:

Нидерландский механик, физик, математик, астроном и изобретатель Христиан Гюйгенс активно участвовал в современных ему спорах о природе света.

В 1678 году он выпустил «Трактат о свете» - набросок волновой теории света. Другое замечательное сочинение он издал в 1690 году; там он изложил качественную теорию отражения, преломления и двойного лучепреломления в исландском шпате в том самом виде, как она излагается теперь в учебниках физики.

Сформулировал так называемый принцип Гюйгенса, позволяющий исследовать движение волнового фронта, впоследствии развитый Френелем и сыгравший важную роль в волновой теории света, и теории дифракции.

Трёхсоставную теорию цветового зрения впервые высказал в 1756 году Михаил Ломоносов , когда писал «о трёх материях дна ока» в своём труде «О происхождении света».

На основе многолетних исследований и многочисленных опытов Ломоносов разработал теорию света, с помощью которой объяснил физиологические механизмы цветовых явлений. По мысли Ломоносова, цвета вызываются действием трёх родов эфира и трёх видов цветоощущающей материи, составляющей дно глаза.

Теория цвета и цветового зрения, с которой Ломоносов выступил в 1756 году, выдержала проверку временем и заняла должное место в истории физической оптики.

Шотландский физик, математик и астроном Сэр Дэвид Брюстер внес огромный вклад в развитие оптики. Он известен по всему миру, и не только в научных кругах, как изобретатель калейдоскопа.

Оптические исследования Брюстера не имеют теоретического и математического характера; тем не менее он открыл опытным путем точный математический закон, за которым осталось его имя, относящийся к явлениям поляризации света: луч света, косвенно падающий на поверхность стеклянной пластинки, частью преломляется, частью отражается. Луч, отраженный под углом полной поляризации, составляет прямой угол с направлением, которое принимает при этом преломленный луч; это условие приводит к другому, математическому выражению закона Брюстера, а именно - тангенс угла полной поляризации равен показателю преломления.

Он показал, что неравномерное охлаждение сообщает стеклу способность обнаруживать цвета в поляризованном свете - открытие, важное для физики частичных сил; вслед за тем он обнаружил подобные же явления во многих телах животного и растительного происхождения.

В 1816 г. Брюстер объяснил причину образования цветов, играющих на поверхности перламутровых раковин. До его времени алмаз считался представителем самого сильного преломления света, а лед - самого слабого в твердых телах; его измерения расширили эти пределы, показав, что хромо-кислая соль свинца преломляет сильнее алмаза, а плавиковый пшат - слабее льда. Явления поглощения света различными телами, обнаруживающиеся тем, что в спектре (солнечного) света, через них проходящего, обнаруживается множество темных линий, также были предметом исследований Брюстера. Он показал, что многие из линий солнечного спектра происходят от поглощения некоторых частей света земной атмосферой; подробно исследовал поглощение света газом азотноватого ангидрида и показал, что это вещество в жидком виде не образует спектра поглощения. Впоследствии Б. открыл, что некоторые светлые линии спектров искусственных источников света совпадают с темными, фраунгоферовыми, линиями солнечного спектра, и выразил мнение, что и эти последние, может быть, суть линии поглощения в солнечной атмосфере. Сопоставляя высказанные им в различное время мысли об этом предмете, можно видеть, что Брюстер был на пути к великому открытию спектрального анализа; но эта честь во всяком случае принадлежит Бунзену и Кирхгофу.

Брюстер много пользовался поглощающими свет веществами для другой цели, а именно, он старался доказать, что число основных цветов в спектре не семь, как думал Ньютон, а только три: красный, синий и желтый ("New analysis of solar light, indicating three primary colours etc." ("Edinb. Transact.", том XII, 1834). Его громадная экспериментальная опытность дала ему возможность как будто довольно убедительно доказать это положение, но вскоре оно было опровергнуто, в особенности опытами Гельмгольца, неопровержимо доказавшими, что зеленый цвет есть несомненно простой, и что надо принять по меньшей мере пять основных цветов.

Оптические наблюдения привели английского физика, механика, врача, астрона Томаса Юнга (Thomas Young) к мысли, что господствовавшая в то время корпускулярная теория света неверна. Он высказался в пользу волновой теории. Его идеи вызвали возражения английских учёных; под их влиянием Юнг отказался от своего мнения. Однако в трактате по оптике и акустике «Опыты и проблемы по звуку и свету» (1800) учёный вновь пришёл к волновой теории света и впервые рассмотрел проблему суперпозиции волн. Дальнейшим развитием этой проблемы явилось открытие Юнгом принципа интерференции (сам термин был введён Юнгом в 1802 году).

В докладе «Теория света и цветов», прочитанном Юнгом Королевскому обществу в 1801 году (опубликован в 1802 г.), он дал объяснение колец Ньютона на основе интерференции и описал первые опыты по определению длин волн света. В 1803 году в работе «Опыты и исчисления, относящиеся к физической оптике» (опубликована в 1804 г.) он рассмотрел явления дифракции. После классических исследований О. Френеля по интерференции поляризованного света Юнг высказал гипотезу о поперечности световых колебаний. Он разработал также теорию цветного зрения, основанную на предположении о существовании в сетчатой оболочке глаза трёх родов чувствительных волокон, реагирующих на три основных цвета.

Шотландец по происхождению, британский физик, математик и механик Джеймс Максвелл в 1854 году предложению редактора Макмиллана начал писать книгу по оптике (она так и не была закончена).

Однако главным научным интересом Максвелла в это время была работа по теории цветов. Она берёт начало в творчестве Исаака Ньютона, который придерживался идеи о семи основных цветах. Максвелл выступил как продолжатель теории Томаса Юнга, выдвинувшего идею трёх основных цветов и связавшего их с физиологическими процессами в организме человека. Важную информацию содержали свидетельства больных цветовой слепотой, или дальтонизмом. В экспериментах по смешиванию цветов, во многом независимо повторявших опыты Германа Гельмгольца, Максвелл применил «цветовой волчок», диск которого был разделён на окрашенные в разные цвета секторы, а также «цветовой ящик», разработанную им самим оптическую систему, позволявшую смешивать эталонные цвета. Подобные устройства использовались и раньше, однако лишь Максвелл начал получать с их помощью количественные результаты и довольно точно предсказывать возникающие в результате смешения цвета. Так, он продемонстрировал, что смешение синего и жёлтого цветов даёт не зелёный, как часто полагали, а розоватый оттенок.

Опыты Максвелла показали, что белый цвет не может быть получен смешением синего, красного и жёлтого, как полагали Дэвид Брюстер и некоторые другие учёные, а основными цветами являются красный, зелёный и синий. Для графического представления цветов Максвелл, следуя Юнгу, использовал треугольник, точки внутри которого обозначают результат смешения основных цветов, расположенных в вершинах фигуры.

Серьёзный интерес Максвелла к проблеме электричества позволил ему свормулировать волновую теорию света - одну из теорий, объясняющих природу света. Основное положение теории заключается в том, что свет имеет волновую природу, то есть ведёт себя как электромагнитная волна (от длины которой зависит цвет видимого нами света).

Теория подтверждается многими опытами (в частности, опытом Т. Юнга), и данное поведение света (в виде электромагнитной волны) наблюдается в таких физических явлениях, как дисперсия, дифракция и интерференция света. Однако многие другие физические явления, связанные со светом, одной волновой теорией объяснить нельзя.

В июне 1860 года на съезде Британской ассоциации в Оксфорде Максвелл сделал доклад о своих результатах в области теории цветов, подкрепив их экспериментальными демонстрациями с помощью цветового ящика. Позже в том же году Лондонское королевское общество наградило его медалью Румфорда за исследования по смешению цветов и оптике. 17 мая 1861 года на лекции в Королевском институте (Royal Institution ) на тему «О теории трёх основных цветов» Максвелл представил ещё одно убедительное доказательство правильности своей теории - первую в мире цветную фотографию, идея которой возникла у него ещё в 1855 году. Вместе с фотографом Томасом Саттоном (англ. Thomas Sutton ) было получено три негатива цветной ленты на стекле, покрытом фотографической эмульсией (коллодий). Негативы были сняты через зелёный, красный и синий фильтры (растворы солей различных металлов). Освещая затем негативы через те же фильтры, удалось получить цветное изображение. Как было показано спустя почти сто лет сотрудниками фирмы «Кодак», воссоздавшими условия опыта Максвелла, имевшиеся фотоматериалы не позволяли продемонстрировать цветную фотографию и, в частности, получить красное и зелёное изображения. По счастливому совпадению, полученное Максвеллом изображение образовалось в результате смешения совсем иных цветов - волн в синем диапазоне и ближнем ультрафиолете. Тем не менее, в опыте Максвелла содержался верный принцип получения цветной фотографии, использованный спустя многие годы, когда были открыты светочувствительные красители.

Немецкий физик, врач, физиолог и психолог Герман Гельмгольц способствует признанию теории трёхцветового зрения Томаса Юнга.

Теория цветоощущения Гельмгольца (теория цветоощущения Юнга-Гельмгольца, трёхкомпонентная теория цветоощущения) -теория цветоощущения, предполагающая существование в глазу особых элементов для восприятия красного, зелёного и синего цветов. Восприятие других цветов обусловлено взаимодействием этих элементов.

В 1959 году теория была экспериментально подтверждена Джорджом Уолдом и Полом Брауном из Гарвардского университета и Эдвардом Мак-Николом и Уильямом Марксом из Университета Джонса Гопкинса, которые обнаружили, что в сетчатке существует три (и только три) типа колбочек, которые чувствительны к свету с длиной волны 430, 530 и 560 нм, т. е. к фиолетовому, зелёному и жёлто-зелёному цвету.

Теория Юнга-Гельмгольца объясняет восприятие цвета только на уровне колбочек сетчатки и не может объяснить все феномены цветоощущения, такие как цветовой контраст, цветовая память, цветовые последовательные образы, константность цвета и др., а также некоторые нарушения цветового зрения, например, цветовую агнозию.

В 1868 году Леонард Гиршман занимался вопросами цветовосприятия, наименьшего угла зрения, ксантопсии при отравлении сантонином (болезнь, при которой человек видит все в желтом свете) и под руководством Гельмгольца защетил диссертацию "Материалы по физиологии цветоощущения".

В 1870 году немецкий физиолог Эвальд Геринг сформулировал так называемую оппонентную гипотезу цветового зрения , известную также как теория обратного процесса или Теория Геринга. Он опирался не только на существование пяти психологических ощущений, а именно ощущение красного, жёлтого, зелёного, синего и белого цветов, но также и на тот факт, что они по-видимому, действуют в противоположных парах, одновременно дополняя и исключая друг друга. Суть её заключается в том, что некоторые «разные» цвета образуют при смешении промежуточные, например зелёный и синий, жёлтый и красный. Другие пары промежуточных цветов образовать не могут, зато дают новые цвета, например красный и зелёный. Красно-зелёного цвета нет, есть жёлтый.

Вместо того, чтобы постулировать три типа реакций колбочек, как в теории Юнга-Гельмгольца, Геринг постулирует наличие трёх типов противоположных пар процессов реакции на чёрный и белый, жёлтый и синий, красный и зелёный цвета. Эти реакции происходят на пострецепторной стадии действия зрительного механизма. Теория Геринга выдвигает на первый план психологические аспекты цветового зрения. Когда три пары реакций идут в направлении диссимиляции, возникают тёплые ощущения белого, жёлтого и красного цветов; когда они протекают ассимилятивно, им сопутствуют холодные ощущения чёрного, синего и голубого цветов. Использование четырёх цветов при синтезе цвета дает больше возможностей, чем использование трёх.

Гуревич и Джеймсон развили теорию противоположных процессов Геринга при цветовом зрении до степени, когда различные явления цветового зрения могут быть количественно объяснены как для наблюдателя с нормальным цветовым зрением, так и аномальным цветовым зрением.

Теория Геринга, развитая Гуревичем и Джеймсоном, известна также как оппонентная теория . В ней сохраняется три системы рецепторов: красно-зеленые, желто-голубые и черно-белые. Предполагается, что каждая система рецепторов функционирует, как антагонистическая пара. Как и в теории Юнга – Гельмгольца, считается, что каждый из рецепторов (или пар рецепторов) чувствителен к свету волн разной длины, но максимально чувствителен к волнам определенной длины.

ТЕОРИЯ

Но для начала совсем немного теории, иначе не понятно как такое в принципе может быть и почему мы об этом с вами очень мало знаем.

Примерно 180 лет назад немецкий физик, физиолог Герман Гельмгольц высказал предположение о работе человеческого глаза. Что же предположил Гельмгольц? Он предположил, что глаз у человека имеет форму шара, в передней части находится хрусталик, двояковыпуклая линзочка, а вокруг хрусталика находится так называемая круговая цилиарная мышца.

Так как же человек видит по Гельмгольцу?

Когда цилиарная мышца расслаблена, хрусталик плоский, фокус хрусталика находится на сетчатке, и такой расслабленный глаз с плоским хрусталиком прекрасно видит вдаль, потому что четкое изображение далеких предметов по законам геометрической оптики строится в районе фокуса оптической системы. В данном случае четкое изображение далекого предмета будет как раз на сетчатке глаза.

Но вот человеку надо увидеть вблизи. Чтобы увидеть вблизи, надо изменить параметры этой оптической системы. И Гельмгольц предположил, что для того, чтобы увидеть вблизи, человек напрягает цилиарную мышцу, она со всех сторон сжимает хрусталик, хрусталик делается более выпуклым, меняет свою кривизну, фокусное расстояние выпуклого хрусталика уменьшается, фокус уходит внутрь глаза, и такой глаз с выпуклым хрусталиком прекрасно видит вблизи. Потому что четкое изображение близких предметом по законам той же геометрической оптики строится за фокусом оптической системы. В данном случае изображение этого близкого предмета опять получится точно на сетчатке глаза.

Итак, надо человеку увидеть вдаль. Он моргнул, расслабил цилиарную мышцу - хрусталик плоский, он видит вдаль. Надо увидеть вблизи - напрягает цилиарную мышцу, хрусталик выпуклый и он видит вблизи.

Что такое близорукость по Гельмгольцу?

У некоторых людей (Гельмгольц сам так и не понял почему) напрягается цилиарная мышца, хрусталик делается выпуклым, а назад эта мышца не расслабляется. Таких людей с выпуклым хрусталиком он назвал близорукими. Они вблизи видят хорошо, а вдаль они не видят, потому что четкое изображение далекого предмета строится в районе фокуса оптической системы. В данном случае четкое изображение будет внутри глаза. А на сетчатке будет какое-то неясное, размазанное, размытое пятно. И тогда Гельмгольц предложил компенсировать близорукость с помощью двояковогнутой отрицательной минусовой очковой линзы. А фокусное расстояние системы (вогнутая линза плюс выпуклый хрусталик) - увеличивается. С помощью очков фокус возвращается на сетчатку глаза и близорукие люди в минусовых очках прекрасно видят вдаль.

И вот с тех пор, 180 лет, все глазные врачи мира близоруким людям подбирают минусовые очки и рекомендуют их для постоянной носки.

У кого из вас близорукость? Поднимите руки, пожалуйста. Вот ваша, как говорится, беда и ваша проблема.

Что такое дальнозоркость по Гельмгольцу?

У многих людей, считал Гельмгольц, с возрастом ослабевает работа цилиарной мышцы. В результате - хрусталик плоский, фокус хрусталика находится на сетчатке, и классические дальнозоркие люди прекрасно видят вдаль. Но вот надо увидеть вблизи. Чтобы увидеть вблизи, надо сжать хрусталик, сделать его выпуклым. А силы мышце сжать хрусталик не хватает. И человек смотрит в книгу, а четкое изображение букв строится за фокусом оптической системы, где-то ближе к затылку. А на сетчатке будет просто неясное, размазанное, размытое пятно. И тогда Гельмгольц предложил компенсировать дальнозоркость с помощью двояковыпуклой плюсовой очковой линзы. А фокусное расстояние системы (выпуклая линза плюс плоский хрусталик) - уменьшается. С помощью очков фокус заводится внутрь глаза и дальнозоркие люди в плюсовых очках прекрасно видят вблизи.

И вот с тех пор, 180 лет, все глазные врачи мира дальнозорким людям подбирают плюсовые очки, рекомендуют их для чтения и для работы вблизи.

У кого из вас дальнозоркость? Поднимите руки, пожалуйста.

Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц (нем. Hermann von Helmholtz; 31 августа 1821, Потсдам - 8 сентября 1894, Шарлоттенбург) - немецкий физик, физиолог и психолог. В Москве именем Гельмгольца назван НИИ Глазных болезней на Садово-Черногрязской улице.

Родился в семье учителя. Изучал медицину в королевском медицинско-хирургическом институте в Берлине. Обязательной для выпускников этого института была восьмилетняя военная служба, которую Гельмгольц начал в 1843 году в Потсдаме, в качестве военного врача. По рекомендации Александра Гумбольдта ему было разрешено преждевременно оставить военную службу и начать преподавать в 1848 году анатомию в берлинской академии. В 1849 году Гельмгольца приглашают в Кёнигсберг, где он получает звание профессора физиологии и патологии. С 1855 он руководит кафедрой анатомии и физиологии в Бонне, с 1858 - кафедрой физиологии в Гейдельберге. В 1870 году он становится членом Прусской академии наук .

С 1871 года получает звание профессора физики и работает в Берлине. В 1888 году Гельмгольц становится первым президентом Физико-Технического имперского ведомства в Шарлоттенбурге.

В своих первых научных работах при изучении процессов брожения и теплообразования в живых организмах Гельмгольц приходит к формулировке закона сохранения энергии. В его книге "О сохранении силы" (1847) он формулирует закон сохранения энергии строже и детальнее, чем Роберт Майер в 1842 году, и тем самым вносит существенный вклад в признание этого оспариваемого тогда закона. Позже Гельмгольц формулирует законы сохранения энергии в химических процессах и вводит в 1881 году понятие свободной энергии - энергии, которую необходимо сообщить телу для приведения его в термодинамическое равновесие с окружающей средой (F = U - TS, где U есть внутренняя энергия, S - энтропия, T - температура).

С 1842 по 1852 занимается изучением роста нервных волокон. Параллельно Гельмгольц активно изучает физиологию зрения и слуха . Также Гельмгольц создает концепцию "бессознательных умозаключений" , согласно которой актуальное восприятие определяется уже имеющимися у индивида "привычными способами" , за счёт чего сохраняется постоянство видимого мира, при этом существенную роль играют мышечные ощущения и движения. Он разрабатывает математическую теорию для объяснения оттенков звука с помощью обертонов.

Гельмгольц способствует признанию теории трёхцветового зрения Томаса Юнга , изобретает в 1850 году офтальмоскоп для изучения глазного дна, в 1851 году - офтальмометр для определения радиуса кривизны глазной роговицы. Сотрудниками и учениками Гельмгольца были В. Вундт, И. М. Сеченов и Д. А. Лачинов .

Установлением законов поведения вихрей для невязких жидкостей Гельмгольц закладывает основы гидродинамики. Математическими исследованиями таких явлений как атмосферные вихри, грозы и глетчеры Гельмгольц закладывает основы научной метеорологии.

Ряд технических изобретений Гельмгольца носит его имя. Катушка Гельмгольца состоит из двух соосных соленоидов, удалённых на расстояние их радиуса и служит для создания открытого однородного магнитного поля. Резонатор Гельмгольца представляет собой полый шар с узким отверстием и служит для анализа акустических сигналов, а также при строительстве низкочастотных звуковых колонок для усиления низких частот или наоборот используется для подавления нежелательных частот в помещениях.

Много работ посвятил Гельмгольц обоснованию всеобщности принципа наименьшего действия.

Дополнения по работе Гельмгольца в области цвета

Герман фон Гельмгольц (1821-1894) был абсолютным мастером естественных наук своего времени. Он ими владел и понимал. Его первым научным достижением в 1847 году в возрасте 26 лет была формулировка принципов сохранения энергии. Гельмгольц также продемонстрирoвал свой великий практический талант - изобрёл офтальмоскоп и теорию звуковой чувствительности (1862) ; также предложил теорию комбинации тонов и анализ тембра музыкальных инструментов, даже углубляясь в сторону теории гармонии.

Его знаменитый "Учебник физиологической оптики" вышел между 1856 и 1867, который стал всемирно признанным спустя 60 лет в английском переводе. В нём Гельмгольц представляет 3 переменных, которые до сих пор используются для характеристики цвета: тон, насыщенность и яркость . Он первым безошибочно продемонстрировал, что цвета, которые видел Ньютон в спектре отличаются от цветов, наложенных на белую основу с помощью пигментов. Спектральные цвета светят более интенсивно и обладают большей насыщенностью. Они смешиваются аддитивно, в то время как пигменты смешиваются субтрактивно. В любом случае, их сочетания происходят по разным правилам.

Исследования Гельмгольца производились по всегда существующей аналогии между глазом и ухом. Три вышеупомянутые характеристики цветовых ощущений были выбраны с целью соответствовать трём параметрам звука: силе, высоте и тембру. Единственная разница между звуковым явлением и цветовосприятием состоит в том, что глаз не может различать компоненты смешанного цвета , в то время как ухо может легко разделять элементы сложного звука. Как сказал сам Гельмгольц в 1857 году: "Глаз не может разделять комбинированные цвета друг от друга; он видит их как неразрешимое, простое ощущение одного смешанного цвета. Поэтому глазу неважно, какие основные цвета скомбинированны в смешанном цвете: простых или сложных условий вибраций. Нет гармонии в том же значении, как с ухом; нет музыки."

Как и Томас Юнг, Гельмгольц отстаивал трёхцветную систему и продемонстрировал, что каждый цвет может быть составлен как смесь трёх базовых цветов - например, красного, зелёного и сине-фиолетового в качестве таких "простых цветов" . В своём учебнике великий физиолог представляет несколько предложений по расположению этих простых, или чистых, цветов - таким образом охватывающих весь спектр. Он также пытался вмешаться - довольно вскользь, но однако живо сформулированно - между Ньютоном и Максвеллом . Для Гельмгольца треугольник Максвелла слишком мал, чтобы разместить насыщенные спектральные цвета, и круг Ньютона не относится точно к трихроматической теории, которая глубоко проникает в суть вопроса.

Гельмгольц первым располагает спектральные цвета на кривой с целью достичь лучшего понимания их смешивания. Он представляет род силового поля цветов - цветовое поле - с белым посредине , соответствующему ньютоновскому гравитационному центру. Гельмгольц заметил, что для того, чтобы получить белый, ему не нужны были равные части фиолетово-синего и жёлтого, например. Таким образом, он расположил свои цвета таким образом, чтобы те дополнительные цвета, которые требовались в большем количестве, имели больший "рычаг".

Круг Ньютона служит основой для второй конструкции Гельмгольца , в которой два треугольника построены после того, как пропущена та часть, которая пересекается с линией между красным (R) и фиолетовым (V). Это усечение возможно без ущерба только потому, что два рассматриваемых цвета обозначают оба конца спектра (в системе CIE мы вновь встретим эту линию в качестве пурпурного). На рисунке мы видим два треугольника, углы которых определены в каждом случае двумя возможными комбинациями базовых цветов, между которыми колебался Томас Юнг в начале 19 века. Треугольник с фиолетовым, красным и зелёным (VRG) углами таким образом содержит все цвета, которые образуются от смешивания фиолетового, красного и зелёного, то же самое относится к треугольнику с углами красного, жёлтого и циана (RYC). Из рисунка, а также из треугольника Максвелла становится очевидным, что не все цвета могут быть записаны таким образом, и что огромная порция цветового круга остаётся удалённой.

Безусловно, во времена Гельмгольца не было сомнений в правильности трихроматической теории, и это укрепляло веру в то, что должен существовать идеальный треугольник, в котором будет место всем цветам спектра. Со своей оставшейся конструкцией Гельмгольц вернулся к той первой кривой простых цветов, которую он начертил в предположении, что количество света в различных цветах может считаться одинаковым тогда, когда при заданной силе света они кажутся глазу одинаково яркими. На основе чистых базовых цветов красного и фиолетового, без дальнейших пояснений, Гельмгольц сдвигает точку, характеризующую наше восприятие чистого зелёного к точке А, чтобы составить треугольник AVR, который сейчас включает все ощущения цвета.

Впоследствии Гельмгольц приходит к выводу, что, по его мнению, чистый красный и чистый фиолетовый цвета спектра не являются простыми ощущениями базового цвета, и по этой причине нижняя линия должна быть смещена до значений V1 и R1. Цвета, которые могут быть прямо достигнуты посредством света, входящего в нормальный глаз, будут лежать на близкой кривой V1ICGrGR1 (аббревиатура относится к индиго, циану, зелёному и жёлтому). Треугольник иным образом содержит цвета, которые расположены на большем расстоянии от белого, и таким образом более насыщенны, чем все обычные цвета.

Гельмгольц и Максвелл сконцентрировались на выборе наиболее подходящей диаграммы, чтобы объяснить наблюдаемые в отношении цветовых смесей явления. Поскольку трихроматическая теория была действующая и общепринятая, их внимание было направлено на геометрию треугольника, совершенно не принимая во внимание феноменологические аспекты. Вопрос, рассматривающий положение спектральных цветов в каждом треугольнике был окончательно решён в конце 19 века, когда А. Кёниг и К. Дитеричи изучили "основные ощущения в нормальных и аномальных цветовых системах и распределение их интенсивности в спектре" и обозначили направление линии, которую мы построили в треугольнике Максвелла . Это будет научно верным, только если мы представим идеальный треугольник, цвета которого более насыщенны, чем спектральные цвета (Е означает точку равной энергии, и это также может быть интерпретированно как белый цвет). Результаты спектральных смесей иллюстрируют, как Ньютон упростил факты, когда он предположил, что насыщенность смешанных цветов будет меньше, если в порядке следования цветов, их компоненты расположены дальше друг от друга.

Работа Кёнига и Дитеричи появилась в "Журнале о психологии" в 1892 году, и было очевидно, что преимущество цветов было потеряно для современных физиков. Но сила восприятия в итоге будет преобладать; без неё техническая игра с цветами будет слишком загнана в рамки геометрических конструкций, даже если эта игра практикуется такими гениями как Гельмгольц или Максвелл .