Живопись с научной точки зрения

Проявляемый Леонардо повышенный интерес к оптике был связан с разработкой теории живописи, что привело его к изучению свойств света и механизма зрения. Отсутствие в то время достаточных знаний в этой области объясняет многие трудности в развитии практической оптики. Ученого привлекали многие задачи: фотометрические исследования, вопросы геометрической оптики и технологии изготовления линз и зеркал, механизм зрения. Свой тезис о необходимости подтверждения рассуждений опытом он продемонстрировал, изучая глаз человека, собственными экспериментами: 'При анатомировании глаза, чтобы хорошо разглядеть внутри, не проливая его влаги, надобно положить глаз в яичный белок, и прокипятить, и укрепить его, разрезая яйцо и глаз поперек, чтобы средняя часть не пролили ничего вниз' [2]. Так он установил основные части глаза: радужную оболочку, хрусталик, сетчатку, зрительный нерв (рис. 1) [3]. Недостатком методики было то, что при кипячении в белке хрусталик принимал форму сферы. Леонардо ошибочно помещал хрусталик не в область радужной оболочки, а в центр глаза и предполагал, что он вторично переворачивает изображение. Леонардо рассуждал так: 'Почему образы какого-то тела, проходящего через какое-нибудь отверстие в глазу, запечатлеваются в зрачке перевернутыми, а чувства видят их не перевернутыми? Зрачок глаза, воспринимающий через очень маленькое круглое отверстие образы тел, расположенных за отверстием, воспринимает их всегда перевернутыми, а затем зрительная сила видит их в том месте, где они действительно находятся. Происходит это оттого, что названные образы проходят через центр хрусталика, находящегося в середине глаза, и в этом центре соединяются в одну точку, а затем расходятся на противолежащей поверхности этой сферы, не уклоняясь от своего прямого направления. И на такой поверхности образы всегда переворачиваются в соответствии с предметом, который является их причиной, а оттуда они воспринимаются чувствилищем и направляются к общему чувству, которое о них судит' [1].

Анализируя построение изображения на сетчатке глаза, Леонардо приводит аналогию с камерой-обскурой: ': сквозь маленькое круглое отверстие изображения освещенных предметов проникнут в очень темное помещение; тогда ты уловишь такие изображения на белую бумагу, расположенную внутри указанного помещения неподалеку от этого отверстия, и увидишь все вышеназванные предметы на этой бумаге с их собственными очертаниями и красками, но будут они меньших размеров и перевернутыми по причине упомянутого пересечения. Такие изображения, если будут исходить от места, освещенного солнцем, покажутся нарисованными на этой бумаге, которая должна быть тончайшей и рассматриваться с обратной стороны, а названное отверстие должно быть сделано в маленькой, очень тонкой железной пластинке... И то же получается внутри зрачка' (рис. 2) [1].

Леонардо не оставил без внимания вопросы аккомодации и адаптации глаза: 'Зрачок глаза получает столь разнообразные размеры, сколь разнообразна светлота и темнота предметов, которые предстают перед ним. В этом случае природа пришла на помощь зрительной способности, которая, будучи поражаема чрезмерным светом, имеет возможность сокращать зрачок глаза и, поражаемая различной темнотой, шире раскрывать это светлое отверстие, наподобие отверстия кошелька. И природа поступает здесь как тот, у кого в помещении слишком много света, - закрывающего половину окна, больше или меньше, смотря по надобности; и когда приходит ночь, он открывает все окна, чтобы лучше видеть внутри названного помещения. И природа прибегает здесь к постоянному выравниванию, непрестанно увеличивая и уменьшая зрачок, соразмерно названным градациям темноты и света, непрестанно перед ним возникающий. Ты убедишься в этом на опыте, наблюдая ночных животных, каковы кошки, филины, совы и т.п., у которых в полдень зрачок маленький, а ночью огромный' [1].

Многие его оптические наблюдения были выполнены впервые: он обнаружил, что два глаза видят различные изображения тел. Изучение бинокулярного зрения (рис. 3) привело его к изобретению стереоскопа. Развитие этого направления привело к созданию целого семейства объемных дисплеев, стоящих в авангарде современных информационных технологий.

Особо отметим опыты, относящиеся к воздействию света на зеленый лист. Леонардо экспонировал его на солнце при наложении маски, и наблюдал возникающее изображение в виде изменения окраски листа.

Очки, подзорная труба, телескоп:

Леонардо не только старался уяснить природу зрения и строение глаза, но и размышлял об улучшении зрения. На страницах 'Атлантического кодекса' он дает рекомендации об исправлении дальнозоркости и близорукости с помощью очков, изображенных в рукописи (рис. 4). Там же рукою мастера написано: 'Сделай очковые стекла для глаз, чтобы видеть Луну большой'. По-видимому, он экспериментировал с линзами с величиной фокусного расстояния, большим расстояния наилучшего видения. Они дают значительное увеличение отдельных предметов. Этим он предвосхитил изобретение зрительной трубы (рис. 5). В рукописях читаем: 'Чем дальше отодвигаешь ты стекло от глаза, тем большими покажет оно предметы для глаз; если глаза для сравнения глядят один через очковое стекло, другой вне его, то для одного предмет покажется большим, а для другого малым; но для этого видимые вещи должны быть удалены от глаза на 200 локтей'. Историк науки В.А. Гуриков считает, что речь идет об однолинзовом телескопе, дающем увеличение действительного изображения удаленного предмета с помощью одной двояковыпуклой линзы, фокусное расстояние которой больше расстояния наилучшего зрения (25 см). Дискуссия об изобретении Леонардо да Винчи телескопа ведется давно. Французские астрономы А. Донжон и А. Куде полагали, что с линзой, имеющей фокусное расстояние 1,2 м, нормальный наблюдатель может получать пятидесятикратное увеличение, а близорукий - еще больше. Леонардо не только приводит рисунок однолинзового телескопа, но и анализирует его поле зрения и искажения предметов [4]. Но был ли им действительно изобретен двухлинзовый телескоп?

Итальянский исследователь Д. Арджентьери дает положительный ответ, ссылаясь на записную книжку Леонардо (кодекс Ф): 'Хрустальное очковое стекло не должно иметь пятен и быть очень ясным. С краев оно должно быть толщиной в одну унцию от унции, т.е. в 1/144 локтя, а в середине - тонким соответственно зрению, которое им пользуется:И оно должно быть изготовлено при помощи той же формы, что и эти очки. Таким очковым стеклом нужно пользоваться, держа его на расстоянии 1/3 локтя от глаза, и настолько же оно должно быть удалено от буквы, которую ты читаешь. Если же оно будет удалено на большее расстояние, эта буква покажется крупнее; в самом деле, обычная печатная буква будет видна как буква на аптекарской коробке. Это очковое стекло удобно держать на письменном столе, а если ты хочешь держать его, наблюдая вдаль, сделай его длиною в 1/8 локтя, а шириною в 1/12'. Арджентьери делает вывод, что зрительная труба Леонардо имела две линзы, и даже изготовил макет 'реконструированной зрительной трубы' с двукратным увеличением, который демонстрировался на выставке в Милане в 1939 г.

Итальянский ученый С. Тимпанаро доказывает несостоятельность предложенной Арджентьери реконструкции. Поскольку у Леонардо не было отрицательной линзы, зрительной трубы он не изобрел. Есть основания полагать, что у него были только замыслы создания телескопа с двумя положительными линзами. Не случайно 'очковые стекла' упоминаются им во множественном числе, что может свидетельствовать о попытке создания двухлинзового телескопа.

Оптические наблюдения Леонардо многообразны. Он объяснил пепельный цвет Луны отражением света, идущего от Земли; он пытался определить роль атмосферной рефракции в видимом увеличении размера светил на горизонте; он изучил явление полутени и использовал его в живописных работах; он различал в радуге не семь, а восемь цветов, а голубой цвет неба объяснял соединением чистейшего белого с парами воздуха. Ученого называют основателем фотометрии, а рисунки и пояснения к ним в 'Атлантическом кодексе' позволяют полагать, что он изобрел фотометрический прибор типа установки Румфорда [1]. На схеме одного из предложенных им осветительных устройств рукой изобретателя написано: 'Как сделать свет прекрасным и большим' [4]. По-видимому, речь идет об изобретении лампового стекла.

В манускриптах мастера имеются рисунки, на которых изображены каустические кривые, характеризующие аберрации оптических систем, и экспериментальные методы их определения, которые на два столетия опередили потребности в совершенствовании оптических систем телескопов и микроскопов. На листах кодекса Арундела сохранилась схема зажигательного зеркала и проекты параболических поверхностей, навеянные работами Архимеда [3]. Для изготовления зеркал он сконструировал машину для шлифовки вогнутых поверхностей (1509 г).

Трудно предположить, что Леонардо не применил оптических приспособлений в главном деле своей жизни - в живописи. Исследования по применению камеры-обскуры и других устройств мастерами Возрождения приводят к мысли, что живописец мог использовать их в своей работе [5].

Упомянутые достижения выдвигают Леонардо в число основателей прикладной оптики. Однако ни одно изобретение не было воплощено при его жизни. Его идеи намного опередили развитие современного ему общества и были либо забыты, либо реализованы позже. Одна из его идей оказалась востребованной в III тысячелетии при разработке современных дисплеев.

 Теория атмосферной перспективы

Живопись в эпоху Возрождения стремилась установить средствами пространственной композиции эмоциональную связь между объектами религиозного изображения и верующими. Реалистическое отображение пространства - аналога трехмерного пространства - создавало иллюзию сопричастности зрителя воссоздаваемым на плоскости событиям Священной истории. Открытие линейной перспективы дало художникам способ изображения глубины пространства с предметами и фигурами реального масштаба. Основы линейной перспективы были разработаны старшими соотечественниками Леонардо из Флоренции Ф. Брунеллеско и Л.Б. Альберти и вызвали глубокий интерес мастера. О теории перспективы Леонардо писал: 'Перспектива, поскольку она распространяется на живопись, делится на три главных части; первая из них - это уменьшение, которое претерпевают величины тел на различных расстояниях; вторая часть - это та, которая трактует об уменьшении цветов этих тел; третья - эта та, которая уменьшает отчетливость фигур и границ этих тел на разных расстояниях' [6]. Здесь важно утверждение об уменьшении контраста объектов при увеличении расстояния до наблюдателя. Значит, величина контраста изображения объектов может служить мерой для определения расстояния до них. Если дальномеры на этом принципе разработаны уже несколько десятилетий, то идея уменьшать контраст изображений, чтобы они воспринимались более удаленными от наблюдателя, возникла недавно при разработке дисплеев для отображения объемных изображений.

Дисплеи для отображения трехмерных объектов

Современные системы решают задачу отображения трехмерных объектов на принципах стереоскопии, интегральной фотографии, объемных дисплеев и голографии. В основу большинства дисплеев положены электрооптические эффекты в жидких кристаллах (ЖК). Однако задолго до того, как австрийский ботаник Ф. Рейнитцер впервые обнаружил в 1888 г. существование термотропных ЖК, ученые уже давно занимались изучением веществ, создающих при определенных концентрациях в воде цветные пленки. Взбитые на воздухе, они формируют пузыри и известны сегодня как лиотропные ЖК. Отметим удивительное совпадение: их капиллярные свойства в начале XVI изучал Леонардо [7].

Реальное использование нашли стереоскопические дисплеи, использующие очки, растровые экраны или параллаксные ограничители. Зачастую очки привносят массу  неудобств зрителю. Но комфорт телезрителя или посетителя кинотеатра тяжело сравнить с условиями полета летчика сверхзвукового истребителя, вооруженного новейшими средствами защиты и нападения. Для них разработаны безочковые схемы получения объемных изображений, в частности автостереоскопический принцип с различными модификациями. Примером служит дисплей, показанный на рис. 6. Изображения отдельно для левого и правого глаза от экранов 1 и 3 последовательно представляются наблюдателю с помощью полупрозрачного зеркала 3. Устройство 4 фиксирует положение головы наблюдателя для представления визуальной информации для каждого глаза с углами зрения 5 и 6. Особенности механизма зрения позволяют наблюдателю получать ощущение объемного изображения 7. В одной из модификаций дисплея используется теория атмосферной перспективы Леонардо.

         Получение изображения трехмерного объекта с его фокусировкой на различную глубину резкости было предложено японскими авторами [8, 9]. Для этого достаточно иметь два плоских экрана и полупрозрачное зеркало без дополнительных оптических элементов. Схема позволяет наблюдателю видеть трехмерное изображение объекта за счет якобы различного расстояния между наблюдателем и плоскостью экранов. На самом деле эффект возникает при одинаковом расстоянии от наблюдателя до плоскости экранов при условии, что яркость изображений на экранах пропорциональна возникающей глубине резкости. Аналогичный эффект можно получить при изменении отчетливости изображений, создаваемой, например, управляемым рассеивающим элементом, расположенном в одном из оптических каналов (рис. 7). Нам представляется возможным для получения объемного эффекта объединить в одном устройстве управление изображений по яркости и по отчетливости. Эффект большей глубины изображения может быть усилен за счет окружающего фона представляемого изображения [10]. Предложенное решение, основанное на теории атмосферной перспективы Леонардо, открывает возможности для развития простых стереоскопических дисплеев без дополнительных оптических элементов.

В заключение приведем слова Р.Б. Фуллера, что 'истинные хуложники всегда являются учеными, а истинные ученые - художниками'. Научное наследие Леонардо да Винчи продолжает оставаться неиссякаемым источником для новых поколений изобретателей.