Кто привык следить за небом, тот, без сомнения, обращал внимание на тот странный факт, что Солнце, Луна и созвездия имеют на горизонте заметно большие размеры, чем тогда, когда находятся близ зенита. Солнце при заходе и восходе представляется в виде огромного красного диска, из которого, по-видимому, можно было бы вырезать десять таких кружков, каким то же Солнце кажется в полдень.
Подобное же явление наблюдается и при заходе Луны. Но всего рельефнее оно сказывается на созвездиях. Неопытный наблюдатель до того поражается различием в видимых размерах созвездий на горизонте и в зените, что нередко сомневается даже в их тождественности и готов счесть их за два разных созвездия.
Орион у горизонта кажется гигантским и совершенно не похож на ту небольшую трапецию, которая выступает высоко на звездном небе в поздние ясные зимние ночи. Красивый крест Лебедя у горизонта охватывает чуть ли не половину неба, между тем, находясь близ зенита, то же созвездие имеет довольно скромные размеры. На все эти любопытные особенности обращали свое внимание уже первые наблюдатели неба.
Первая попытка объяснить их предложена была еще в древности, но вполне правильное объяснение дано было всего лишь несколько лет тому назад. Что упомянутое выше изменение видимых размеров небесных светил есть явление кажущееся, а не реальное, — в этом едва ли кто-нибудь станет сомневаться. Видимая величина предмета может изменяться или от того, что предмет действительно изменяется в объеме, или же от того, что изменяется его расстояние от наблюдателя.
Первое предположение в данном случае, очевидно, немыслимо, и нам остается лишь рассмотреть второе. Нетрудно доказать, что и оно здесь неприменимо: ведь восход и заход небесных светил зависят не от их собственного движения, а от вращения земного шара, при котором, конечно, положение его в пространстве не изменяется. Легко сообразить, что при захождении светила оно не только не ближе к наблюдателю, но даже дальше от него на величину земного радиуса; значит, если и должно было бы быть при этом изменение в размерах, то как раз в противоположную сторону (что действительно и подтверждается точными астрономическими измерениями). Из сказанного ясно, что причину этого странного явления следует видеть в своеобразном обмане чувств, в особой иллюзии зрения.
Первую попытку подобного рода объяснения сделал Пифагор за 500 лет до Р. X. Предложенная им теория до самого последнего времени считалась правильной и даже проникла во все учебники физики и астрономии. Она настолько правдоподобна и остроумна, что мы считаем небесполезным изложить ее здесь со всею обстоятельностью, прежде чем приступить к ее критике. Когда Солнце и Луна находятся у горизонта, то наблюдатель невольно сравнивает их с домами, деревьями и другими предметами, расположенными по пути луча зрения, и так как светила эти находятся далеко за этими предметами, то мы и склонны переоценивать их видимые размеры.
Когда же Солнце находится высоко над горизонтом, указанное обстоятельство не может иметь места; лишенные всякого масштаба для сравнения, мы невольно считаем его тогда помещенным ближе к наблюдателю — и вследствие этого уменьшаем его видимую величину. Теория эта опирается, следовательно, на законы перспективы: во-первых, на тот, что пространство, наполненное какими-нибудь предметами, кажется меньше, нежели пустое; и во-вторых, на тот, что при прочих равных условиях предметы более отдаленные кажутся крупнее, нежели менее отдаленные.
Кроме указанного, существует еще одно обстоятельство, в силу которого небесные светила должны представляться нам у горизонта более крупными, нежели вблизи зенита. Многие, без сомнения, замечали, что в туманном воздухе все предметы кажутся больше и дальше, нежели в ясной прозрачной атмосфере. В густом тумане человеческие фигуры кажутся движущимися вдали гигантами, а проезжающий мимо нас фиакр — удаленным на огромное расстояние. Особенно ясно сказывается это на горах, где воздух всегда чрезвычайно чист и прозрачен.
Туристы обыкновенно поражаются теми грубыми ошибками, которые они делают на каждом шагу при оценке расстояний и размеров отдаленных предметов. Когда Солнце или Луна находятся вблизи горизонта, то мы наблюдаем их через толщу плотных и всегда несколько затуманенных нижних слоев атмосферы, что не имеет места при нахождении тех же светил высоко над горизонтом; понятно, что в силу одного этого небесные светила должны казаться нам в первом случае больших размеров, нежели во втором. Следует заметить, что не только светила, но и самая форма небесного свода зависит от рассматриваемой иллюзии зрения.
Находясь на открытой местности, нетрудно при сколько-нибудь внимательном взгляде убедиться, что небесный свод не имеет строго полушаровидной формы, а как бы немного приплюснут сверху, так что части его, расположенные у горизонта, заметно дальше от наблюдателя, нежели точки, расположенные у зенита. Особенность эта также объяснялась изложенными выше двумя причинами. Как ни правдоподобна теория Пифагора, она тем не менее не может быть принята. Опыты, произведенные в самое последнее время венским профессором Цотом[69], доказывают, что изложенные выше причины далеко не достаточны для объяснения интересующего нас феномена.
Профессор Цот предлагает следующий простой опыт, сразу доказывающий несостоятельность общепринятого объяснения. Попробуйте наблюдать за Солнцем или Луной через густо закопченное стекло: окажется, вопреки ожиданиям, что и при таких условиях светила будут казаться на горизонте крупнее, нежели у зенита. А между тем, если бы общепринятая теория была верна, этого не должно было бы быть, так как через закопченное стекло никаких промежуточных предметов не видно, а большая или меньшая прозрачность воздуха не может, конечно, иметь никакого влияния. Ясно, что причина явления лежит не там, где ее раньше искали. Единственное предположение, которое остается, это то, что причина кажущегося изменения величины светил кроется в различном направлении луча зрения: ведь никакие другие обстоятельства не изменяются при наблюдении Солнца в зените и у горизонта, если смотреть через закопченное стеклышко.
Другими словами, мы оцениваем размеры внешних предметов различно в зависимости от направления главных оптических осей наших глаз; при нормальном положении глазных яблок предметы кажутся нам больше, нежели тогда, когда глаза при наблюдении поворачиваются вверх, ко лбу.
Профессор Цот блестяще доказал это предположение целым рядом простых и убедительных опытов. Один из опытов состоит в том, чтобы наблюдать Луну (или Солнце), лежа на спине, в горизонтальном положении, так, чтобы Луна находилась у горизонта позади нас. Согласно теории Цота, Луна должна при этом представиться нам такой же, какой мы ее видим у зенита, если наблюдаем стоя; и в том и в другом случае мы смотрим на нее, поворачивая глаза в сторону лба. И действительно, оказывается, при таких условиях наблюдения Луна кажется небольших размеров; но стоит покинуть лежачее положение и встать на ноги, чтобы Луна опять приняла громадные размеры. Самая форма небесного свода заметно изменяется для наблюдателя, лежащего на спине, как это легко может проверить всякий. Если рассматривать небо лежа, то нетрудно заметить, что позади наблюдателя оно круто спускается к горизонту, а спереди, наоборот — приближается к горизонту чрезвычайно отлого; таким образом, небесный свод кажется сплюснутым уже не сверху, как при наблюдении стоя, а сзади — и это вполне объясняется теорией профессора Цота.
Далее, профессор Цот потвердил свою теорию и непосредственными опытами над определением размеров светящихся шаров, из которых одни помещались на уровне глаз, а другие, одинаковые с первыми по величине, подвешивались над головой в таком же расстоянии от глаз наблюдателя. Опыты производились над различными людьми и всегда приводили к одним и тем же результатам; шары, висящие над головой, казались значительно меньше, нежели помещенные прямо перед наблюдателем.
В обыденной жизни мы очень часто подвергаемся подобным иллюзиям, хотя не всегда обращаем на это внимание. Попробуйте, например, определить на глаз величину одной из тех больших электрических ламп, которые употребляются в больших городах для освещения улиц, садов и т.п. Вы определите ее диаметр в 25–30 сантиметров, между тем как истинный ее диаметр 50 сантиметров; когда вам случится видеть такую лампу вблизи, то без сомнения вы будете удивлены ее крупными размерами. Причина зрительной иллюзии здесь та же, что и в вышеупомянутых случаях: электрические фонари подвешиваются обыкновенно на высоте 10–15 метров, так что мы видим их при сильном повороте глазных осей вверх — т.е. при таких же условиях зрения, при каких наблюдаем Луну вблизи зенита.
Остается ответить еще на один вопрос: в силу каких причин кажущаяся величина предмета меняется в зависимости от направления луча зрения. Для этого нам придется обратиться к физиологии зрения. Когда мы стараемся отчетливо рассмотреть находящийся перед нами предмет, то невольно поворачиваем глаза так, чтобы оптические оси их пересекались на этом предмете. Чем ближе предмет, тем на больший угол приходится поворачивать глаза и тем больше необходимое для этого усилие. По степени напряжения мышц, двигающих глаза, мы и судим о большей или меньшей отдаленности предмета. Когда глаза поворачиваются вверх, в сторону лба, то они в силу чисто анатомических условий располагаются так, что оптические оси их расходятся врозь; если мы при таком положении глаз станем разглядывать какой-нибудь предмет, то для сведения оптических осей нам придется употребить большее усилие, чем при нормальном их положении. А так как по величине этого усилия мы судим о расстоянии до предмета, то понятно, что предмет, рассматриваемый при подобных условиях, покажется нам ближе, нежели на самом деле; а уже вследствие этого мы невольно будем переоценивать его действительные размеры.
Таким образом, причина изменения величины Солнца, Луны и созвездий при рассматривании их на различной высоте над горизонтом заключается не в чем ином, как в физиологических особенностях наших органов зрения. Описанные здесь опыты австрийского ученого до того просты и легковыполнимы, что читатель без труда может повторить их и сам проверить те поразительные результаты, к которым они приводят.