Почему Луна больше у горизонта и при чем тут Гете

Сколько раз вы пытались сделать фотографию висящей в небе огромной Луны на телефон, а в итоге она выглядела в пять раз меньше? Эффект увеличения объектов, находящихся у горизонта, известен как «лунная иллюзия». Его обсуждают уже как минимум 2500 лет, но объяснения этому явлению у ученых нет до сих пор. Разбираемся, что мы знаем об этом сегодня и какие пробелы остаются в понимании эффекта. 

Эффект «зум-увеличения» при приближении к линии горизонта распространяется не только на Луну. Просто пример с Луной самый очевидный для наблюдателя, а потому обнаружен первым. Неправдоподобно большими нам кажутся размеры Солнца и созвездий, но и в этом случае эффект называют «лунной иллюзией». 

Луна занимает примерно 0,5 градуса угла обзора, вне зависимости от того, находится ли она в зените или у горизонта. Это легко проверить, используя для сравнениямонетку, посмотрев на Луну в зените и у горизонта через трубу — или сделав фотографию. 

Качество снимков и размер Луны на них получаются настолько удручающими, что производители решили «помочь» телефонам и с помощью ИИ довести параметры до желаемого размера. В итоге Samsung можно было заставить принять за спутник Земли даже подходящее по форме пятно. 

История вопроса

«…даже астроном не в состоянии воспрепятствовать тому, что луна кажется при восходе большей, хотя астроном и не обманывается этой видимостью», — писал Иммануил Кант, приводя лунную иллюзию как один из примеров субъективности воспринимаемой реальности.

Первые письменные упоминания «иллюзии» встречаются еще у Птолемея и Аристотеля, а также (предположительно) на вавилонских табличках. Арабский астроном XI века Ибн аль-Хайтам считается первым ученым, предположившим, что иллюзия является полностью субъективной. Действительно, иллюзия неодинаково выражена у разных людей. Размер Луны в субъективных «метрах» может быть в два раза больше, чем в реальности. В среднем же, это 1,3–1,5 от реально занимаемого спутником Земли угла обзора. 

Особенно сильно ученые начали тревожиться ближе к XIX веку. Динамика космических тел уже была более-менее понятна, мир казался простым и объяснимым — а тут такая вопиющая нелогичность под самым носом. Объяснения начали появляться одно за другим, в основном от психологов и экспертов по изучению восприятия. Одна из попыток объяснения встречается в трудах Гете.

А откуда Гете? 

Вопросом лунного размера задавался даже Гете в своей книге «О цвете». Да, тот самый Гете, который написал «Фауста». Знаменитый немец оставил после себя богатое наследие во множестве направлений науки своего времени. Его труд, посвященный восприятию цветов, вышел при этом крайне неоднозначным. Он был полон спорных наблюдений про влияние цветов на эмоции, размышлений о физических свойствах темноты и прочих идей, которые даже современникам казались эзотерикой.

В книге содержится наблюдение, ранее сделанное великим астрономом Тихо де Браге: Луна в конъюнкции (когда она темная) на одну пятую меньше, чем Луна в оппозиции (во время полнолуния). Взяв эту идею за основу, Гете предположил, что иллюзия возникает из-за контраста света и тени и восприятия черных объектов как меньших. 

«Серп молодой Луны кажется принадлежащим к большему диску, чем граничащий с ней темный диск, который можно различить во время новолуния. В черной одежде человек выглядит тоньше, чем в светлой», — приводит объяснение иллюзии Гете. Из этого отрывка можно понять, что Гете не придавал значения размеру «большей» луны возле горизонта и интересовался лишь цветом и контрастом.

Хотя наблюдение и верное, увеличения Луны у горизонта в несколько раз оно объяснить неспособно. Тем не менее для Гете было очевидно, что размер спутника меняется только для наблюдателя, а не в реальном мире. Его интересовали цвет и оптика в восприятии, а не скучная теория Ньютона о расщеплении белого света. Как мы знаем, Ньютон в итоге оказался прав, но идеи Гете заложили основу для сомнений в объективности восприятия цвета на столетия вперед. 

Также книга содержит любопытные описания «цветных теней», которые на тот момент были для ученых необъяснимы: 

Немного из Гете

«Свет свечи и Луны можно привести в полное равновесие. Выставьте доску на лунный свет и поместите свечу несколько в стороне. Поставьте перед доской непрозрачное тело; тогда возникает двойная тень, причем та, которую отбрасывает Луна и освещает свеча, будет яркого красно-желтого цвета. Тень, отбрасываемая свечой и освещенная луной, окажется прекрасного синего цвета. Там, где обе тени сливаются в одну, их цвет будет черным», — пишет Гете. Кажется, у него было очень много свободного времени.

Как ученые объясняют «Иллюзию Луны» сегодня?

Только за последние 30 лет вышло несколько книг на тему «лунной иллюзии», но однозначного ответа на загадку не нашлось ни у одного автора. Книга «The Moon Illusion» 1989 года рассматривает более 20 подходов ученых к проблеме «иллюзии». 

Для объяснений использовали мысленные эксперименты, изменение наблюдателя в пространстве, изображения Луны, наличие и отсутствие объектов для сравнения. Все действующие теории можно разделить на три категории, которые мы рассмотрим ниже. Для каждой из них существует опровержение, делающее ее неполной. 

Теория конвергентности глаз

Начнем с самой спорной попытки объяснения — попытки найти истоки иллюзии в особенностях работы зрительной системы. Согласно этой теории, мозг оценивает размеры объектов, основываясь на том, насколько велик угол наклона для каждого глаза при взгляде на него. Чем больше угол, тем крупнее кажется объект. 

Считается, что при взгляде на Луну в зените угол расширяется, и, следовательно, мозг воспринимает ее как меньшую по размеру и увеличивает ее образ, чтобы избежать противоречия. Это объяснение хотя и имеет под собой некотоыре разумные основания, считается наименее убедительным по сравнению с другими теориями.

Парадокс в том, что Луна должна казаться ближе, когда она меньше, и видеться более удаленной, когда ее субъективный размер наибольший. Тем временем, по опросам респондентов (и почти наверняка — по вашему субъективному опыту тоже), Луна у горизонта кажется и больше, и ближе одновременно. 

Ученые пытались проверить эту теорию, наблюдая за Луной в различных положениях. Например, один из экспериментов заключается в том, чтобы посмотреть на Луну, лежа на земле и поднимая глаза, глядя на Луну под углом и т. д. 

Результаты исследований показали, что угол действительно влияет на размеры объекта — но слишком слабо, всего до 1,04 раза. Хотя эффект можно считать подтвержденным, для объяснения «лунной иллюзии» его недостаточно.

Теория кажущейся удаленности

Мы «видим» не глазами — восприятие создается на основе сигналов от органов чувств. Размер Луны — один из ярких примеров такого искажения восприятия: глаза видят одно, а мы — другое. Демонстрацией этого эффекта является «иллюзия Понзо» — двух параллельных линий достаточно, чтобы мозг «додумал» перспективу и увеличил объект на горизонте. 

К аналогичному выводу, хоть и другим способом, приводит «Закон Эммерта». Он утверждает, что размер образа после взгляда на яркий объект зависит от расстояния, на которое этот послеобраз проецируется. Проще говоря, чем дальше кажущийся объект, тем больше он воспринимается по линейному размеру, даже если его угловой размер остается постоянным.

Тем не менее оба подхода не объясняют всех сценариев, в которых Луна выглядит неправдоподобно огромной. Например, иллюзия сохраняется, если посмотреть на Луну через мутное стекло, скрывающее другие объекты. Также нелогичным является то, что, в соответствии с этим подходом, объект, который кажется больше, воспринимается более удаленным — так же, как и в теории конвергентности глаз.

Еще одно необычное измерение нашлось в работе «Структура визуального пространства» Норберта Гюнтера: наибольший видимый диаметр Луны он обнаружил при адаптационной яркости (уровень освещенности, к которому адаптируется зрительная система), характерной для начала вечерних сумерек. Ночью размер Луны уменьшается параллельно снижению освещенности неба по мере подъема к зениту.

По мнению исследователя, наше «визуальное пространство» сжимается днем, но его диаметр увеличивается вечером и ночью. Хотя оба решения постулируют, что проблема кроется не в самом восприятии, а в интерпретации его сигналов, всех вопросов подход не решает.

Теория относительного размера

Согласно теории относительного размера, иллюзия увеличенных размеров Луны у горизонта возникает из-за ее сравнения с наземными объектами. В пользу этого объяснения говорит работа Кауфмана и Рока, озаглавленная просто «Иллюзия Луны». Проведя собственные исследования, ученые пришли к выводу, что наличие рельефа является решающим фактором для существования иллюзии.

Когда Луна находится высоко в небе, она не имеет рядом ориентиров для понимания ее относительного размера. Но когда она появляется на горизонте, ее можно сравнить с деревьями, домами и другими привычными наземными предметами. Когда Луна находится у горизонта, рядом есть другие объекты, что заставляет наш мозг переоценивать ее размер. 

Теория не объясняет, почему сами наземные ориентиры не кажутся нам при этом меньше. Также она была опровергнута исследованием Росса и Льюиса, оценивших размеры Луны с воздушного шара. Несмотря на отсутствие объектов для сравнения, она казалась еще больше, чем при наблюдении с поверхности Земли.

Закончили там, где начинали?

«Лунная иллюзия — один из немногих феноменов восприятия, которые охватывают широкий спектр наук: астрономию, оптику, физику, физиологию, психологию и философию. Ее истолкование иллюстрирует историю научного объяснения и, в частности, историю психологии восприятия», — пишут составители книги The Mystery of the Moon illusion. 

Несмотря на то, что ни одна теория не объясняет всех нюансов «иллюзии Луны», исследователи сходятся в одном: это ошибка восприятия, корни которой невозможно найти в окружающем мире или проверить экспериментально. Мозг интерпретирует видимую информацию с ошибкой, создавая иллюзию, будто Луна у горизонта больше, чем в зените.

За бортом остались совсем сложные и не объясняющие ничего теории, включающие распределение «энергии внимания», плоскую Землю, увеличительные свойства атмосферы. Подводя итог, можно с уверенностью сказать, что увеличению видимого размера Луны способствуют несколько факторов.

• Близость к горизонту. Когда Луна находится у горизонта, наш мозг воспринимает ее как более удаленную из-за наличия на переднем плане земных объектов, что вызывает эффект увеличения.

• Перспектива местности. Если ландшафт простирается от наблюдателя к горизонту, это усиливает ощущение глубины и способствует увеличению видимого размера Луны.

• Время заката или восхода. В эти периоды световые условия изменяются, что может усиливать восприятие контрастов и увеличивать видимый размер Луны.

• Наложение объектов. Наземные объекты, такие как деревья или здания, создают контраст и добавляют дополнительную визуальную информацию, что способствует увеличению Луны в восприятии наблюдателя.

Интересно, что «иллюзию Луны» можно развеять, обманув глазные мышцы, утверждают исследователи. В следующий раз, когда увидите огромную Луну у горизонта, сведите глаза к переносице, продолжая следить за Луной. Совсем как в книге «Понедельник начинается в субботу». Луна «раздвоится» и на несколько мгновений уменьшится до своего реального размера. По крайней мере, эту идею можно проверить экспериментально.