Καταπληκτικές ικανότητες του ανθρώπινου ματιού: κοσμική όραση και αόρατες ακτίνες. Πρώτο επίπεδο: Καθαρή όραση. Πόσο μικρά μπορείτε να δείτε αντικείμενα; Clear Vision III

Μιλάει για τις εκπληκτικές ιδιότητες του οράματός μας - από την ικανότητα να βλέπουμε μακρινούς γαλαξίες έως την ικανότητα να συλλαμβάνουμε φαινομενικά αόρατα κύματα φωτός.

Κοιτάξτε γύρω από το δωμάτιο στο οποίο βρίσκεστε - τι βλέπετε; Τοίχοι, παράθυρα, πολύχρωμα αντικείμενα - όλα αυτά φαίνονται τόσο γνωστά και θεωρούνται δεδομένα. Είναι εύκολο να ξεχάσουμε ότι βλέπουμε τον κόσμο γύρω μας μόνο χάρη στα φωτόνια - σωματίδια φωτός που αντανακλώνται από αντικείμενα και χτυπούν τον αμφιβληστροειδή.

Υπάρχουν περίπου 126 εκατομμύρια φωτοευαίσθητα κύτταρα στον αμφιβληστροειδή χιτώνα καθενός από τα μάτια μας. Ο εγκέφαλος αποκρυπτογραφεί τις πληροφορίες που λαμβάνει από αυτά τα κύτταρα σχετικά με την κατεύθυνση και την ενέργεια των φωτονίων που πέφτουν πάνω τους και τις μετατρέπει σε μια ποικιλία σχημάτων, χρωμάτων και έντασης φωτισμού των γύρω αντικειμένων.

Η ανθρώπινη όραση έχει τα όριά της. Έτσι, δεν μπορούμε ούτε να δούμε ραδιοκύματα που εκπέμπονται από ηλεκτρονικές συσκευές, ούτε να δούμε τα μικρότερα βακτήρια με γυμνό μάτι.

Χάρη στην πρόοδο της φυσικής και της βιολογίας, τα όρια της φυσικής όρασης μπορούν να καθοριστούν. «Κάθε αντικείμενο που βλέπουμε έχει ένα συγκεκριμένο «κατώφλι» κάτω από το οποίο σταματάμε να το αναγνωρίζουμε», λέει ο Michael Landy, καθηγητής ψυχολογίας και νευροβιολογίας στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης.

Ας εξετάσουμε πρώτα αυτό το όριο όσον αφορά την ικανότητά μας να διακρίνουμε τα χρώματα - ίσως την πρώτη ικανότητα που μας έρχεται στο μυαλό σε σχέση με την όραση.

Πνευματικά δικαιώματα εικονογράφησης SPLΛεζάντα εικόνας Οι κώνοι είναι υπεύθυνοι για την αντίληψη των χρωμάτων και οι ράβδοι μας βοηθούν να βλέπουμε αποχρώσεις γκρίσε χαμηλό φωτισμό

Η ικανότητά μας να ξεχωρίζουμε, π.χ. μωβαπό το ματζέντα σχετίζεται με το μήκος κύματος των φωτονίων που χτυπούν τον αμφιβληστροειδή. Υπάρχουν δύο τύποι φωτοευαίσθητων κυττάρων στον αμφιβληστροειδή - οι ράβδοι και οι κώνοι. Οι κώνοι είναι υπεύθυνοι για την αντίληψη των χρωμάτων (τη λεγόμενη ημερήσια όραση) και οι ράβδοι μας επιτρέπουν να βλέπουμε αποχρώσεις του γκρι σε χαμηλό φωτισμό - για παράδειγμα, τη νύχτα (νυχτερινή όραση).

Το ανθρώπινο μάτι έχει τρεις τύπους κώνων και έναν αντίστοιχο αριθμό τύπων οψινών, καθένας από τους οποίους είναι ιδιαίτερα ευαίσθητος στα φωτόνια με ένα συγκεκριμένο εύρος μηκών κύματος φωτός.

Οι κώνοι τύπου S είναι ευαίσθητοι στο ιώδες-μπλε τμήμα μικρού μήκους κύματος του ορατού φάσματος. Οι κώνοι τύπου M είναι υπεύθυνοι για το πράσινο-κίτρινο (μεσαίο μήκος κύματος) και οι κώνοι τύπου L είναι υπεύθυνοι για το κίτρινο-κόκκινο (μεγάλο μήκος κύματος).

Όλα αυτά τα κύματα, καθώς και οι συνδυασμοί τους, μας επιτρέπουν να δούμε όλο το φάσμα των χρωμάτων του ουράνιου τόξου. «Όλες οι πηγές ορατό στους ανθρώπους«Τα φώτα, με εξαίρεση ορισμένα τεχνητά (όπως ένα διαθλαστικό πρίσμα ή λέιζερ), εκπέμπουν ένα μείγμα μηκών κύματος διαφορετικών μηκών», λέει ο Landy.

Πνευματικά δικαιώματα εικονογράφησης ThinkstockΛεζάντα εικόνας Δεν είναι όλο το φάσμα καλό για τα μάτια μας...

Από όλα τα φωτόνια που υπάρχουν στη φύση, οι κώνοι μας είναι ικανοί να ανιχνεύσουν μόνο εκείνους που χαρακτηρίζονται από μήκη κύματος σε πολύ στενό εύρος (συνήθως από 380 έως 720 νανόμετρα) - αυτό ονομάζεται φάσμα ορατή ακτινοβολία. Κάτω από αυτό το εύρος βρίσκονται τα υπέρυθρα και ραδιοφάσματα - τα μήκη κύματος των φωτονίων χαμηλής ενέργειας του τελευταίου ποικίλλουν από χιλιοστά έως αρκετά χιλιόμετρα.

Στην άλλη πλευρά του ορατού μήκους κύματος είναι το φάσμα υπεριώδους, ακολουθούμενο από τις ακτίνες Χ, και μετά το φάσμα των ακτίνων γάμμα με φωτόνια των οποίων τα μήκη κύματος είναι μικρότερα από τα τρισεκατομμύρια του μέτρου.

Αν και οι περισσότεροι από εμάς έχουμε περιορισμένη όραση στο ορατό φάσμα, τα άτομα με αφακία - η απουσία φακού στο μάτι (με αποτέλεσμα χειρουργικήμε καταρράκτη ή, λιγότερο συχνά, λόγω γενετικής ανωμαλίας) - μπορούν να δουν υπεριώδη κύματα.

Σε ένα υγιές μάτι, ο φακός μπλοκάρει τα υπεριώδη κύματα, αλλά ελλείψει αυτού, ένα άτομο μπορεί να αντιληφθεί τα κύματα μήκους έως περίπου 300 νανόμετρα ως μπλε-λευκό χρώμα.

Μια μελέτη του 2014 σημειώνει ότι, κατά κάποιο τρόπο, όλοι μπορούμε να δούμε υπέρυθρα φωτόνια. Εάν δύο τέτοια φωτόνια χτυπήσουν το ίδιο κύτταρο αμφιβληστροειδούς σχεδόν ταυτόχρονα, η ενέργειά τους μπορεί να αθροιστεί, μετατρέποντας αόρατα κύματα, ας πούμε, 1000 νανομέτρων σε ορατό κύμα 500 νανομέτρων (οι περισσότεροι από εμάς αντιλαμβανόμαστε τα κύματα αυτού του μήκους ως ψυχρά πράσινος).

Πόσα χρώματα βλέπουμε;

Στο μάτι υγιές άτομοτρεις τύποι κώνων, καθένας από τους οποίους είναι ικανός να διακρίνει περίπου 100 διαφορετικές αποχρώσεις χρώματος. Για το λόγο αυτό, οι περισσότεροι ερευνητές υπολογίζουν τον αριθμό των χρωμάτων που μπορούμε να διακρίνουμε σε περίπου ένα εκατομμύριο. Ωστόσο, η αντίληψη του χρώματος είναι πολύ υποκειμενική και ατομική.

Ο Τζέιμσον ξέρει τι λέει. Μελετά το όραμα των τετραχρωμάτων - ανθρώπων με πραγματικά υπεράνθρωπες ικανότητες να διακρίνουν τα χρώματα. Η τετραχρωμία είναι σπάνια και εμφανίζεται στις περισσότερες περιπτώσεις στις γυναίκες. Ως αποτέλεσμα μιας γενετικής μετάλλαξης, έχουν έναν επιπλέον, τέταρτο τύπο κώνου, που τους επιτρέπει, σύμφωνα με πρόχειρες εκτιμήσεις, να δουν έως και 100 εκατομμύρια χρώματα. (Οι αχρωματοψίες, ή τα διχρωματικά, έχουν μόνο δύο τύπους κώνων - δεν μπορούν να διακρίνουν περισσότερα από 10.000 χρώματα.)

Πόσα φωτόνια χρειαζόμαστε για να δούμε μια πηγή φωτός;

Γενικά, οι κώνοι απαιτούν πολύ περισσότερο φως για να λειτουργήσουν βέλτιστα από τις ράβδους. Για το λόγο αυτό, σε χαμηλό φωτισμό, η ικανότητά μας να διακρίνουμε τα χρώματα μειώνεται και οι ράβδοι λειτουργούν, παρέχοντας ασπρόμαυρη όραση.

Κάτω από ιδανικές εργαστηριακές συνθήκες, σε περιοχές του αμφιβληστροειδούς όπου οι ράβδοι απουσιάζουν σε μεγάλο βαθμό, οι κώνοι μπορούν να ενεργοποιηθούν από λίγα μόνο φωτόνια. Ωστόσο, οι ράβδοι κάνουν ακόμα καλύτερη δουλειά καταγράφοντας ακόμη και το πιο αμυδρό φως.

Πνευματικά δικαιώματα εικονογράφησης SPLΛεζάντα εικόνας Μετά από χειρουργική επέμβαση στα μάτια, μερικοί άνθρωποι αποκτούν την ικανότητα να βλέπουν την υπεριώδη ακτινοβολία

Όπως δείχνουν τα πειράματα που έγιναν για πρώτη φορά στη δεκαετία του 1940, ένα κβάντο φωτός είναι αρκετό για να το δουν τα μάτια μας. «Ένα άτομο μπορεί να δει ένα μόνο φωτόνιο», λέει ο Brian Wandell, καθηγητής ψυχολογίας και ηλεκτρολογίας στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ: «Απλώς δεν έχει νόημα ο αμφιβληστροειδής να είναι πιο ευαίσθητος.

Το 1941, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Κολούμπια διεξήγαγαν ένα πείραμα - πήγαν τα άτομα σε ένα σκοτεινό δωμάτιο και έδωσαν στα μάτια τους συγκεκριμένο χρόνο για να προσαρμοστούν. Οι ράβδοι απαιτούν αρκετά λεπτά για να επιτευχθεί πλήρης ευαισθησία. Αυτός είναι ο λόγος που όταν σβήνουμε τα φώτα σε ένα δωμάτιο, χάνουμε την ικανότητα να βλέπουμε οτιδήποτε για λίγο.

Στη συνέχεια, ένα μπλε-πράσινο φως που αναβοσβήνει κατευθύνθηκε στα πρόσωπα των υποκειμένων. Με πιθανότητα μεγαλύτερη από την συνηθισμένη πιθανότητα, οι συμμετέχοντες στο πείραμα κατέγραψαν μια λάμψη φωτός όταν μόνο 54 φωτόνια χτύπησαν τον αμφιβληστροειδή.

Δεν ανιχνεύονται όλα τα φωτόνια που φτάνουν στον αμφιβληστροειδή από ευαίσθητα στο φως κύτταρα. Λαμβάνοντας αυτό υπόψη, οι επιστήμονες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι μόνο πέντε φωτόνια που ενεργοποιούν πέντε διαφορετικές ράβδους στον αμφιβληστροειδή είναι αρκετά για να δει ένα άτομο μια λάμψη.

Τα μικρότερα και πιο μακρινά ορατά αντικείμενα

Το ακόλουθο γεγονός μπορεί να σας εκπλήξει: η ικανότητά μας να βλέπουμε ένα αντικείμενο δεν εξαρτάται καθόλου από το φυσικό του μέγεθος ή την απόστασή του, αλλά από το εάν τουλάχιστον μερικά φωτόνια που εκπέμπονται από αυτό χτυπούν στον αμφιβληστροειδή μας.

«Το μόνο πράγμα που χρειάζεται το μάτι για να δει κάτι είναι μια συγκεκριμένη ποσότητα φωτός που εκπέμπεται ή αντανακλάται από το αντικείμενο», λέει ο Landy «Όλα καταλήγουν στον αριθμό των φωτονίων που φτάνουν στον αμφιβληστροειδή. ακόμα κι αν υπάρχει για ένα κλάσμα του δευτερολέπτου, μπορούμε να το δούμε αν εκπέμπει αρκετά φωτόνια».

Πνευματικά δικαιώματα εικονογράφησης ThinkstockΛεζάντα εικόνας Το μάτι χρειάζεται μόνο ένα μικρό αριθμό φωτονίων για να δει φως.

Τα εγχειρίδια ψυχολογίας συχνά περιέχουν τη δήλωση ότι σε μια χωρίς σύννεφα, σκοτεινή νύχτα, μια φλόγα κεριού μπορεί να δει κανείς από απόσταση έως και 48 χιλιομέτρων. Στην πραγματικότητα, ο αμφιβληστροειδής μας βομβαρδίζεται συνεχώς από φωτόνια, έτσι ώστε ένα μόνο κβάντο φωτός που εκπέμπεται από μεγάλη απόσταση απλώς χάνεται στο φόντο τους.

Για να έχουμε μια ιδέα για το πόσο μακριά μπορούμε να δούμε, ας δούμε τον νυχτερινό ουρανό, διάστικτο με αστέρια. Το μέγεθος των αστεριών είναι τεράστιο. πολλά από αυτά που βλέπουμε με γυμνό μάτι φτάνουν σε διάμετρο εκατομμυρίων χιλιομέτρων.

Ωστόσο, ακόμη και τα άστρα που βρίσκονται πιο κοντά μας βρίσκονται σε απόσταση άνω των 38 τρισεκατομμυρίων χιλιομέτρων από τη Γη, επομένως τα φαινομενικά μεγέθη τους είναι τόσο μικρά που τα μάτια μας δεν μπορούν να τα διακρίνουν.

Από την άλλη πλευρά, εξακολουθούμε να παρατηρούμε αστέρια με τη μορφή φωτεινών σημειακών πηγών φωτός, αφού τα φωτόνια που εκπέμπονται από αυτά ξεπερνούν τις γιγάντιες αποστάσεις που μας χωρίζουν και χτυπούν τον αμφιβληστροειδή μας.

Πνευματικά δικαιώματα εικονογράφησης ThinkstockΛεζάντα εικόνας Η οπτική οξύτητα μειώνεται όσο αυξάνεται η απόσταση από το αντικείμενο

Όλα τα μεμονωμένα ορατά αστέρια στον νυχτερινό ουρανό βρίσκονται στον γαλαξία μας, τον Γαλαξία μας. Το πιο μακρινό αντικείμενο από εμάς που μπορεί να δει κάποιος με γυμνό μάτι βρίσκεται έξω από τον Γαλαξία και είναι το ίδιο ένα αστρικό σμήνος - αυτό είναι το νεφέλωμα της Ανδρομέδας, που βρίσκεται σε απόσταση 2,5 εκατομμυρίων ετών φωτός, ή 37 εκατομμυρίων χιλιομέτρων, από ο Ήλιος. (Μερικοί άνθρωποι ισχυρίζονται ότι τις ιδιαίτερα σκοτεινές νύχτες, η έντονη όρασή τους τους επιτρέπει να δουν τον Γαλαξία του Τριγωνίου, που βρίσκεται περίπου 3 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά, αλλά αφήνουν αυτόν τον ισχυρισμό στη συνείδησή τους.)

Το νεφέλωμα της Ανδρομέδας περιέχει ένα τρισεκατομμύριο αστέρια. Λόγω της μεγάλης απόστασης, όλα αυτά τα φωτιστικά συγχωνεύονται για εμάς σε ένα μόλις ορατό σημείο φωτός. Επιπλέον, το μέγεθος του νεφελώματος της Ανδρομέδας είναι κολοσσιαίο. Ακόμη και σε μια τέτοια γιγαντιαία απόσταση, το γωνιακό του μέγεθος είναι έξι φορές μεγαλύτερη από τη διάμετρο της Πανσελήνου. Ωστόσο, τόσα λίγα φωτόνια από αυτόν τον γαλαξία φτάνουν σε εμάς που είναι μόλις ορατός στον νυχτερινό ουρανό.

Όριο οπτικής οξύτητας

Γιατί δεν μπορούμε να δούμε μεμονωμένα αστέρια στο νεφέλωμα της Ανδρομέδας; Το γεγονός είναι ότι η ανάλυση, ή η οπτική οξύτητα, έχει τους περιορισμούς της. (Η οπτική οξύτητα αναφέρεται στην ικανότητα διάκρισης στοιχείων όπως ένα σημείο ή μια γραμμή ως ξεχωριστά αντικείμενα που δεν αναμειγνύονται σε γειτονικά αντικείμενα ή το φόντο.)

Στην πραγματικότητα, η οπτική οξύτητα μπορεί να περιγραφεί με τον ίδιο τρόπο όπως η ανάλυση μιας οθόνης υπολογιστή - στο ελάχιστο μέγεθος των pixel που μπορούμε ακόμα να διακρίνουμε ως μεμονωμένα σημεία.

Πνευματικά δικαιώματα εικονογράφησης SPLΛεζάντα εικόνας Αρκετά φωτεινά αντικείμενα μπορούν να φανούν σε απόσταση αρκετών ετών φωτός

Οι περιορισμοί στην οπτική οξύτητα εξαρτώνται από διάφορους παράγοντες, όπως η απόσταση μεταξύ των μεμονωμένων κώνων και ράβδων του αμφιβληστροειδούς. Εξίσου σημαντικό ρόλο παίζουν τα οπτικά χαρακτηριστικά του βολβός του ματιού, λόγω του οποίου δεν χτυπά κάθε φωτόνιο στο φωτοευαίσθητο κύτταρο.

Θεωρητικά, η έρευνα δείχνει ότι η οπτική μας οξύτητα περιορίζεται στην ικανότητα διάκρισης περίπου 120 pixel ανά γωνιακή μοίρα (μονάδα γωνιακής μέτρησης).

Μια πρακτική απεικόνιση των ορίων της ανθρώπινης οπτικής οξύτητας μπορεί να βρεθεί σε απόσταση μήκος του βραχίοναένα αντικείμενο στο μέγεθος ενός νυχιού, με 60 οριζόντιες και 60 κάθετες γραμμές ζωγραφισμένες πάνω του, που εναλλάσσονται το λευκό και το μαύρο, σχηματίζοντας κάτι σαν σκακιέρα. «Προφανώς, αυτό είναι το μικρότερο σχέδιο που μπορεί να διακρίνει ακόμα το ανθρώπινο μάτι», λέει ο Landy.

Οι πίνακες που χρησιμοποιούν οι οφθαλμίατροι για τον έλεγχο της οπτικής οξύτητας βασίζονται σε αυτήν την αρχή. Το πιο διάσημο τραπέζι στη Ρωσία, το Sivtsev, αποτελείται από σειρές με μαύρα κεφαλαία γράμματα σε λευκό φόντο, το μέγεθος της γραμματοσειράς των οποίων γίνεται μικρότερο με κάθε σειρά.

Η οπτική οξύτητα ενός ατόμου καθορίζεται από το μέγεθος της γραμματοσειράς στην οποία παύει να βλέπει καθαρά τα περιγράμματα των γραμμάτων και αρχίζει να τα μπερδεύει.

Πνευματικά δικαιώματα εικονογράφησης ThinkstockΛεζάντα εικόνας Τα γραφήματα οπτικής οξύτητας χρησιμοποιούν μαύρα γράμματα σε λευκό φόντο

Είναι το όριο της οπτικής οξύτητας που εξηγεί το γεγονός ότι δεν μπορούμε να δούμε με γυμνό μάτι ένα βιολογικό κύτταρο, οι διαστάσεις του οποίου είναι μόνο λίγα μικρόμετρα.

Αλλά δεν υπάρχει λόγος να στεναχωριέστε για αυτό. Η ικανότητα να διακρίνουμε ένα εκατομμύριο χρώματα, να συλλαμβάνουμε μεμονωμένα φωτόνια και να βλέπουμε γαλαξίες αρκετά εκατομμύριο χιλιόμετρα μακριά είναι ένα πολύ καλό αποτέλεσμα, δεδομένου ότι η όρασή μας παρέχεται από ένα ζευγάρι μπάλες που μοιάζουν με ζελέ στις κόγχες των ματιών, συνδεδεμένες με μια πορώδη μάζα 1,5 kg. στο κρανίο.

17 Αυγούστου 2015, 09:25 π.μ

Σας προσκαλούμε να μάθετε για τις εκπληκτικές ιδιότητες του οράματός μας - από την ικανότητα να βλέπουμε μακρινούς γαλαξίες έως την ικανότητα να συλλαμβάνουμε φαινομενικά αόρατα κύματα φωτός.

Κοιτάξτε γύρω από το δωμάτιο στο οποίο βρίσκεστε - τι βλέπετε; Τοίχοι, παράθυρα, πολύχρωμα αντικείμενα - όλα αυτά φαίνονται τόσο γνωστά και θεωρούνται δεδομένα. Είναι εύκολο να ξεχάσουμε ότι βλέπουμε τον κόσμο γύρω μας μόνο χάρη στα φωτόνια - σωματίδια φωτός που αντανακλώνται από αντικείμενα και χτυπούν τον αμφιβληστροειδή.

Υπάρχουν περίπου 126 εκατομμύρια φωτοευαίσθητα κύτταρα στον αμφιβληστροειδή χιτώνα καθενός από τα μάτια μας. Ο εγκέφαλος αποκρυπτογραφεί τις πληροφορίες που λαμβάνει από αυτά τα κύτταρα σχετικά με την κατεύθυνση και την ενέργεια των φωτονίων που πέφτουν πάνω τους και τις μετατρέπει σε μια ποικιλία σχημάτων, χρωμάτων και έντασης φωτισμού των γύρω αντικειμένων.

Η ανθρώπινη όραση έχει τα όριά της. Έτσι, δεν μπορούμε ούτε να δούμε ραδιοκύματα που εκπέμπονται από ηλεκτρονικές συσκευές, ούτε να δούμε τα μικρότερα βακτήρια με γυμνό μάτι.

Χάρη στην πρόοδο της φυσικής και της βιολογίας, τα όρια της φυσικής όρασης μπορούν να καθοριστούν. «Κάθε αντικείμενο που βλέπουμε έχει ένα συγκεκριμένο «κατώφλι» κάτω από το οποίο σταματάμε να το αναγνωρίζουμε», λέει ο Michael Landy, καθηγητής ψυχολογίας και νευροβιολογίας στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης.

Ας εξετάσουμε πρώτα αυτό το όριο όσον αφορά την ικανότητά μας να διακρίνουμε τα χρώματα - ίσως την πρώτη ικανότητα που μας έρχεται στο μυαλό σε σχέση με την όραση.

Η ικανότητά μας να διακρίνουμε, για παράδειγμα, το ιώδες χρώμα από το ματζέντα σχετίζεται με το μήκος κύματος των φωτονίων που χτυπούν τον αμφιβληστροειδή. Υπάρχουν δύο τύποι φωτοευαίσθητων κυττάρων στον αμφιβληστροειδή - οι ράβδοι και οι κώνοι. Οι κώνοι είναι υπεύθυνοι για την αντίληψη των χρωμάτων (τη λεγόμενη ημερήσια όραση) και οι ράβδοι μας επιτρέπουν να βλέπουμε αποχρώσεις του γκρι σε χαμηλό φωτισμό - για παράδειγμα, τη νύχτα (νυχτερινή όραση).

Το ανθρώπινο μάτι έχει τρεις τύπους κώνων και έναν αντίστοιχο αριθμό τύπων οψινών, καθένας από τους οποίους είναι ιδιαίτερα ευαίσθητος στα φωτόνια με ένα συγκεκριμένο εύρος μηκών κύματος φωτός.

Οι κώνοι τύπου S είναι ευαίσθητοι στο ιώδες-μπλε τμήμα μικρού μήκους κύματος του ορατού φάσματος. Οι κώνοι τύπου M είναι υπεύθυνοι για το πράσινο-κίτρινο (μεσαίο μήκος κύματος) και οι κώνοι τύπου L είναι υπεύθυνοι για το κίτρινο-κόκκινο (μεγάλο μήκος κύματος).

Όλα αυτά τα κύματα, καθώς και οι συνδυασμοί τους, μας επιτρέπουν να δούμε όλο το φάσμα των χρωμάτων του ουράνιου τόξου. «Όλες οι ανθρώπινες πηγές ορατού φωτός, με εξαίρεση κάποιες τεχνητές (όπως ένα διαθλαστικό πρίσμα ή λέιζερ), εκπέμπουν ένα μείγμα μηκών κύματος διαφορετικών μηκών κύματος», λέει ο Landy.

Από όλα τα φωτόνια που υπάρχουν στη φύση, οι κώνοι μας είναι ικανοί να ανιχνεύσουν μόνο εκείνα που χαρακτηρίζονται από μήκη κύματος σε πολύ στενό εύρος (συνήθως από 380 έως 720 νανόμετρα) - αυτό ονομάζεται φάσμα ορατής ακτινοβολίας. Κάτω από αυτό το εύρος βρίσκονται τα υπέρυθρα και ραδιοφάσματα - τα μήκη κύματος των φωτονίων χαμηλής ενέργειας του τελευταίου ποικίλλουν από χιλιοστά έως αρκετά χιλιόμετρα.

Στην άλλη πλευρά του ορατού μήκους κύματος είναι το φάσμα υπεριώδους, ακολουθούμενο από τις ακτίνες Χ, και μετά το φάσμα των ακτίνων γάμμα με φωτόνια των οποίων τα μήκη κύματος είναι μικρότερα από τα τρισεκατομμύρια του μέτρου.

Παρόλο που οι περισσότεροι από εμάς έχουμε περιορισμένη όραση στο ορατό φάσμα, τα άτομα με αφακία—η απουσία φακού στο μάτι (ως αποτέλεσμα χειρουργικής επέμβασης καταρράκτη ή, λιγότερο συχνά, εκ γενετής ελάττωμα)— μπορούν να δουν τα υπεριώδη μήκη κύματος.

Σε ένα υγιές μάτι, ο φακός μπλοκάρει τα υπεριώδη κύματα, αλλά ελλείψει αυτού, ένα άτομο μπορεί να αντιληφθεί τα κύματα μήκους έως περίπου 300 νανόμετρα ως μπλε-λευκό χρώμα.

Μια μελέτη του 2014 σημειώνει ότι, κατά κάποιο τρόπο, όλοι μπορούμε να δούμε υπέρυθρα φωτόνια. Εάν δύο τέτοια φωτόνια χτυπήσουν το ίδιο κύτταρο του αμφιβληστροειδούς σχεδόν ταυτόχρονα, η ενέργειά τους μπορεί να αθροιστεί, μετατρέποντας αόρατα κύματα, ας πούμε, 1000 νανομέτρων σε ένα ορατό μήκος κύματος 500 νανόμετρων (οι περισσότεροι από εμάς αντιλαμβάνονται τα κύματα αυτού του μήκους ως ψυχρό πράσινο χρώμα). .

Πόσα χρώματα βλέπουμε;

Υπάρχουν τρεις τύποι κώνων σε ένα υγιές ανθρώπινο μάτι, καθένας από τους οποίους είναι ικανός να διακρίνει περίπου 100 διαφορετικές αποχρώσεις χρώματος. Για το λόγο αυτό, οι περισσότεροι ερευνητές υπολογίζουν τον αριθμό των χρωμάτων που μπορούμε να διακρίνουμε σε περίπου ένα εκατομμύριο. Ωστόσο, η αντίληψη του χρώματος είναι πολύ υποκειμενική και ατομική.

Ο Τζέιμσον ξέρει τι λέει. Μελετά το όραμα των τετραχρωμάτων - ανθρώπων με πραγματικά υπεράνθρωπες ικανότητες να διακρίνουν τα χρώματα. Η τετραχρωμία είναι σπάνια και εμφανίζεται στις περισσότερες περιπτώσεις στις γυναίκες. Ως αποτέλεσμα μιας γενετικής μετάλλαξης, έχουν έναν επιπλέον, τέταρτο τύπο κώνου, που τους επιτρέπει, σύμφωνα με πρόχειρες εκτιμήσεις, να δουν έως και 100 εκατομμύρια χρώματα. (Οι αχρωματοψίες, ή τα διχρωματικά, έχουν μόνο δύο τύπους κώνων - δεν μπορούν να διακρίνουν περισσότερα από 10.000 χρώματα.)

Πόσα φωτόνια χρειαζόμαστε για να δούμε μια πηγή φωτός;

Γενικά, οι κώνοι απαιτούν πολύ περισσότερο φως για να λειτουργήσουν βέλτιστα από τις ράβδους. Για το λόγο αυτό, σε χαμηλό φωτισμό, η ικανότητά μας να διακρίνουμε τα χρώματα μειώνεται και οι ράβδοι λειτουργούν, παρέχοντας ασπρόμαυρη όραση.

Κάτω από ιδανικές εργαστηριακές συνθήκες, σε περιοχές του αμφιβληστροειδούς όπου οι ράβδοι απουσιάζουν σε μεγάλο βαθμό, οι κώνοι μπορούν να ενεργοποιηθούν από λίγα μόνο φωτόνια. Ωστόσο, οι ράβδοι κάνουν ακόμα καλύτερη δουλειά καταγράφοντας ακόμη και το πιο αμυδρό φως.

Όπως δείχνουν τα πειράματα που έγιναν για πρώτη φορά στη δεκαετία του 1940, ένα κβάντο φωτός είναι αρκετό για να το δουν τα μάτια μας. «Ένα άτομο μπορεί να δει ένα μόνο φωτόνιο», λέει ο Brian Wandell, καθηγητής ψυχολογίας και ηλεκτρολογίας στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ: «Απλώς δεν έχει νόημα ο αμφιβληστροειδής να είναι πιο ευαίσθητος.

Το 1941, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Κολούμπια διεξήγαγαν ένα πείραμα - πήγαν τα άτομα σε ένα σκοτεινό δωμάτιο και έδωσαν στα μάτια τους συγκεκριμένο χρόνο για να προσαρμοστούν. Οι ράβδοι απαιτούν αρκετά λεπτά για να επιτευχθεί πλήρης ευαισθησία. Αυτός είναι ο λόγος που όταν σβήνουμε τα φώτα σε ένα δωμάτιο, χάνουμε την ικανότητα να βλέπουμε οτιδήποτε για λίγο.

Στη συνέχεια, ένα μπλε-πράσινο φως που αναβοσβήνει κατευθύνθηκε στα πρόσωπα των υποκειμένων. Με πιθανότητα μεγαλύτερη από την συνηθισμένη πιθανότητα, οι συμμετέχοντες στο πείραμα κατέγραψαν μια λάμψη φωτός όταν μόνο 54 φωτόνια χτύπησαν τον αμφιβληστροειδή.

Δεν ανιχνεύονται όλα τα φωτόνια που φτάνουν στον αμφιβληστροειδή από ευαίσθητα στο φως κύτταρα. Λαμβάνοντας αυτό υπόψη, οι επιστήμονες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι μόνο πέντε φωτόνια που ενεργοποιούν πέντε διαφορετικές ράβδους στον αμφιβληστροειδή είναι αρκετά για να δει ένα άτομο μια λάμψη.

Τα μικρότερα και πιο μακρινά ορατά αντικείμενα

Το ακόλουθο γεγονός μπορεί να σας εκπλήξει: η ικανότητά μας να βλέπουμε ένα αντικείμενο δεν εξαρτάται καθόλου από το φυσικό του μέγεθος ή την απόστασή του, αλλά από το εάν τουλάχιστον μερικά φωτόνια που εκπέμπονται από αυτό χτυπούν στον αμφιβληστροειδή μας.

«Το μόνο πράγμα που χρειάζεται το μάτι για να δει κάτι είναι μια συγκεκριμένη ποσότητα φωτός που εκπέμπεται ή αντανακλάται από το αντικείμενο», λέει ο Landy «Όλα καταλήγουν στον αριθμό των φωτονίων που φτάνουν στον αμφιβληστροειδή. ακόμα κι αν υπάρχει για ένα κλάσμα του δευτερολέπτου, μπορούμε να το δούμε αν εκπέμπει αρκετά φωτόνια».

Τα εγχειρίδια ψυχολογίας συχνά περιέχουν τη δήλωση ότι σε μια χωρίς σύννεφα, σκοτεινή νύχτα, μια φλόγα κεριού μπορεί να δει κανείς από απόσταση έως και 48 χιλιομέτρων. Στην πραγματικότητα, ο αμφιβληστροειδής μας βομβαρδίζεται συνεχώς από φωτόνια, έτσι ώστε ένα μόνο κβάντο φωτός που εκπέμπεται από μεγάλη απόσταση απλώς χάνεται στο φόντο τους.

Για να έχουμε μια ιδέα για το πόσο μακριά μπορούμε να δούμε, ας δούμε τον νυχτερινό ουρανό, διάστικτο με αστέρια. Το μέγεθος των αστεριών είναι τεράστιο. πολλά από αυτά που βλέπουμε με γυμνό μάτι φτάνουν σε διάμετρο εκατομμυρίων χιλιομέτρων.

Ωστόσο, ακόμη και τα άστρα που βρίσκονται πιο κοντά μας βρίσκονται σε απόσταση άνω των 38 τρισεκατομμυρίων χιλιομέτρων από τη Γη, επομένως τα φαινομενικά μεγέθη τους είναι τόσο μικρά που τα μάτια μας δεν μπορούν να τα διακρίνουν.

Από την άλλη πλευρά, εξακολουθούμε να παρατηρούμε αστέρια με τη μορφή φωτεινών σημειακών πηγών φωτός, αφού τα φωτόνια που εκπέμπονται από αυτά ξεπερνούν τις γιγάντιες αποστάσεις που μας χωρίζουν και χτυπούν τον αμφιβληστροειδή μας.

Όλα τα μεμονωμένα ορατά αστέρια στον νυχτερινό ουρανό βρίσκονται στον γαλαξία μας, τον Γαλαξία μας. Το πιο μακρινό αντικείμενο από εμάς που μπορεί να δει κάποιος με γυμνό μάτι βρίσκεται έξω από τον Γαλαξία και είναι το ίδιο ένα αστρικό σμήνος - αυτό είναι το νεφέλωμα της Ανδρομέδας, που βρίσκεται σε απόσταση 2,5 εκατομμυρίων ετών φωτός, ή 37 εκατομμυρίων χιλιομέτρων, από ο Ήλιος. (Μερικοί άνθρωποι ισχυρίζονται ότι τις ιδιαίτερα σκοτεινές νύχτες, η έντονη όρασή τους τους επιτρέπει να δουν τον Γαλαξία του Τριγωνίου, που βρίσκεται περίπου 3 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά, αλλά αφήνουν αυτόν τον ισχυρισμό στη συνείδησή τους.)

Το νεφέλωμα της Ανδρομέδας περιέχει ένα τρισεκατομμύριο αστέρια. Λόγω της μεγάλης απόστασης, όλα αυτά τα φωτιστικά συγχωνεύονται για εμάς σε ένα μόλις ορατό σημείο φωτός. Επιπλέον, το μέγεθος του νεφελώματος της Ανδρομέδας είναι κολοσσιαίο. Ακόμη και σε μια τέτοια γιγαντιαία απόσταση, το γωνιακό του μέγεθος είναι έξι φορές μεγαλύτερη από τη διάμετρο της Πανσελήνου. Ωστόσο, τόσα λίγα φωτόνια από αυτόν τον γαλαξία φτάνουν σε εμάς που είναι μόλις ορατός στον νυχτερινό ουρανό.

Όριο οπτικής οξύτητας

Γιατί δεν μπορούμε να δούμε μεμονωμένα αστέρια στο νεφέλωμα της Ανδρομέδας; Το γεγονός είναι ότι η ανάλυση, ή η οπτική οξύτητα, έχει τους περιορισμούς της. (Η οπτική οξύτητα αναφέρεται στην ικανότητα διάκρισης στοιχείων όπως ένα σημείο ή μια γραμμή ως ξεχωριστά αντικείμενα που δεν αναμειγνύονται σε γειτονικά αντικείμενα ή το φόντο.)

Στην πραγματικότητα, η οπτική οξύτητα μπορεί να περιγραφεί με τον ίδιο τρόπο όπως η ανάλυση μιας οθόνης υπολογιστή - στο ελάχιστο μέγεθος των pixel που μπορούμε ακόμα να διακρίνουμε ως μεμονωμένα σημεία.

Οι περιορισμοί στην οπτική οξύτητα εξαρτώνται από διάφορους παράγοντες, όπως η απόσταση μεταξύ των μεμονωμένων κώνων και ράβδων του αμφιβληστροειδούς. Εξίσου σημαντικό ρόλο παίζουν τα οπτικά χαρακτηριστικά του ίδιου του βολβού του ματιού, λόγω των οποίων δεν χτυπά κάθε φωτόνιο στο φωτοευαίσθητο κύτταρο.

Θεωρητικά, η έρευνα δείχνει ότι η οπτική μας οξύτητα περιορίζεται στην ικανότητα διάκρισης περίπου 120 pixel ανά γωνιακή μοίρα (μονάδα γωνιακής μέτρησης).

Μια πρακτική απεικόνιση των ορίων της ανθρώπινης οπτικής οξύτητας μπορεί να είναι ένα αντικείμενο που βρίσκεται στο μήκος του χεριού, στο μέγεθος ενός νυχιού, με 60 οριζόντιες και 60 κάθετες γραμμές εναλλασσόμενων λευκών και μαύρων χρωμάτων που εφαρμόζονται σε αυτό, που σχηματίζουν μια όψη σκακιέρας. «Προφανώς, αυτό είναι το μικρότερο σχέδιο που μπορεί να διακρίνει ακόμα το ανθρώπινο μάτι», λέει ο Landy.

Οι πίνακες που χρησιμοποιούν οι οφθαλμίατροι για τον έλεγχο της οπτικής οξύτητας βασίζονται σε αυτήν την αρχή. Το πιο διάσημο τραπέζι στη Ρωσία, το Sivtsev, αποτελείται από σειρές μαύρων κεφαλαίων γραμμάτων σε λευκό φόντο, το μέγεθος της γραμματοσειράς των οποίων γίνεται μικρότερο με κάθε σειρά.

Η οπτική οξύτητα ενός ατόμου καθορίζεται από το μέγεθος της γραμματοσειράς στην οποία παύει να βλέπει καθαρά τα περιγράμματα των γραμμάτων και αρχίζει να τα μπερδεύει.

Είναι το όριο της οπτικής οξύτητας που εξηγεί το γεγονός ότι δεν μπορούμε να δούμε με γυμνό μάτι ένα βιολογικό κύτταρο, οι διαστάσεις του οποίου είναι μόνο λίγα μικρόμετρα.

Αλλά δεν υπάρχει λόγος να στεναχωριέστε για αυτό. Η ικανότητα να διακρίνουμε ένα εκατομμύριο χρώματα, να συλλαμβάνουμε μεμονωμένα φωτόνια και να βλέπουμε γαλαξίες αρκετά εκατομμύριο χιλιόμετρα μακριά είναι ένα πολύ καλό αποτέλεσμα, δεδομένου ότι η όρασή μας παρέχεται από ένα ζευγάρι μπάλες που μοιάζουν με ζελέ στις κόγχες των ματιών, συνδεδεμένες με μια πορώδη μάζα 1,5 kg. στο κρανίο.

Η επιφάνεια της Γης καμπυλώνεται και εξαφανίζεται από το οπτικό πεδίο σε απόσταση 5 χιλιομέτρων. Αλλά η οπτική μας οξύτητα μας επιτρέπει να βλέπουμε πολύ πέρα ​​από τον ορίζοντα. Εάν η Γη ήταν επίπεδη, ή αν στεκόσασταν στην κορυφή ενός βουνού και κοιτούσατε μια πολύ μεγαλύτερη περιοχή του πλανήτη από το συνηθισμένο, θα μπορούσατε να δείτε λαμπερά φώτα εκατοντάδες χιλιόμετρα μακριά. Σε μια σκοτεινή νύχτα, μπορούσες να δεις ακόμη και τη φλόγα ενός κεριού που βρίσκεται 48 χιλιόμετρα μακριά σου.

Το πόσο μακριά μπορεί να δει το ανθρώπινο μάτι εξαρτάται από το πόσα σωματίδια φωτός, ή φωτόνια, εκπέμπονται από ένα μακρινό αντικείμενο. Το πιο μακρινό αντικείμενο ορατό με γυμνό μάτι είναι το νεφέλωμα της Ανδρομέδας, που βρίσκεται σε τεράστια απόσταση 2,6 εκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη. Τα ένα τρισεκατομμύριο αστέρια του γαλαξία εκπέμπουν αρκετό φως συνολικά ώστε να προκαλούν πολλές χιλιάδες φωτόνια να χτυπούν κάθε τετραγωνικό εκατοστό της επιφάνειας της Γης κάθε δευτερόλεπτο. Σε μια σκοτεινή νύχτα, αυτή η ποσότητα είναι αρκετή για να ενεργοποιήσει τον αμφιβληστροειδή.

Το 1941, ο επιστήμονας της όρασης Selig Hecht και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο της Κολούμπια έκαναν αυτό που εξακολουθεί να θεωρείται αξιόπιστο μέτρο του απόλυτου ορίου της όρασης - τον ελάχιστο αριθμό φωτονίων που πρέπει να χτυπήσουν τον αμφιβληστροειδή για να παράγουν οπτική επίγνωση. Το πείραμα έθεσε το κατώφλι υπό ιδανικές συνθήκες: στα μάτια των συμμετεχόντων δόθηκε χρόνος να προσαρμοστούν πλήρως στο απόλυτο σκοτάδι, η μπλε-πράσινη λάμψη του φωτός που ενεργούσε ως ερέθισμα είχε μήκος κύματος 510 νανόμετρα (στα οποία τα μάτια είναι πιο ευαίσθητα). και το φως κατευθύνθηκε στο περιφερειακό άκρο του αμφιβληστροειδούς, γεμάτο με ράβδους που ανιχνεύουν το φως.

Σύμφωνα με τους επιστήμονες, για να μπορέσουν οι συμμετέχοντες στο πείραμα να αναγνωρίσουν μια τέτοια λάμψη φωτός σε περισσότερες από τις μισές περιπτώσεις, από 54 έως 148 φωτόνια έπρεπε να χτυπήσουν τους βολβούς των ματιών. Με βάση τις μετρήσεις της απορρόφησης του αμφιβληστροειδούς, οι επιστήμονες εκτιμούν ότι κατά μέσο όρο 10 φωτόνια απορροφώνται πραγματικά από τις ράβδους του ανθρώπινου αμφιβληστροειδούς. Έτσι, η απορρόφηση 5-14 φωτονίων ή, αντίστοιχα, η ενεργοποίηση 5-14 ράβδων υποδηλώνει στον εγκέφαλο ότι κάτι βλέπετε.

«Αυτό είναι πραγματικά ένα πολύ μικρό ποσό. χημικές αντιδράσεις», σημείωσαν ο Hecht και οι συνεργάτες του σε ένα άρθρο σχετικά με αυτό το πείραμα.

Λαμβάνοντας υπόψη το απόλυτο κατώφλι, τη φωτεινότητα μιας φλόγας κεριού και την εκτιμώμενη απόσταση στην οποία ένα φωτεινό αντικείμενο εξασθενεί, οι επιστήμονες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι ένα άτομο μπορούσε να διακρίνει το αχνό τρεμόπαιγμα μιας φλόγας κεριού σε απόσταση 48 χιλιομέτρων.

Αντικείμενα στο μέγεθος ενός ατόμου διακρίνονται ως εκτεταμένα σε απόσταση μόνο περίπου 3 χιλιομέτρων. Συγκριτικά, σε αυτή την απόσταση, θα μπορούσαμε ξεκάθαρα να διακρίνουμε δύο προβολείς αυτοκινήτων, αλλά σε ποια απόσταση μπορούμε να αναγνωρίσουμε ότι ένα αντικείμενο είναι κάτι περισσότερο από ένα τρεμόπαιγμα φωτός; Προκειμένου ένα αντικείμενο να φαίνεται χωρικά εκτεταμένο και να μην μοιάζει με σημείο, το φως από αυτό πρέπει να ενεργοποιήσει τουλάχιστον δύο παρακείμενους κώνους αμφιβληστροειδούς - τα κύτταρα που είναι υπεύθυνα για την έγχρωμη όραση. Κάτω από ιδανικές συνθήκες, ένα αντικείμενο πρέπει να βρίσκεται σε γωνία τουλάχιστον 1 λεπτού τόξου, ή ένα έκτο της μοίρας, για να διεγείρει γειτονικούς κώνους. Αυτό το γωνιακό μέτρο παραμένει το ίδιο είτε το αντικείμενο είναι κοντά είτε μακριά (το μακρινό αντικείμενο πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερο για να βρίσκεται στην ίδια γωνία με το κοντινό). Η Πανσέληνος βρίσκεται σε γωνία 30 λεπτών τόξου, ενώ η Αφροδίτη μόλις και μετά βίας είναι ορατή ως εκτεταμένο αντικείμενο σε γωνία περίπου 1 λεπτού τόξου.

Από το να βλέπεις μακρινούς γαλαξίες ετών φωτός μέχρι την αντίληψη αόρατων χρωμάτων, ο Adam Hadhazy του BBC εξηγεί γιατί τα μάτια σου μπορούν να κάνουν απίστευτα πράγματα. Ρίξτε μια ματιά τριγύρω. Τι βλέπετε; Όλα αυτά τα χρώματα, τοίχοι, παράθυρα, όλα φαίνονται προφανή, λες και έτσι πρέπει να είναι εδώ. Η ιδέα ότι τα βλέπουμε όλα αυτά χάρη σε σωματίδια φωτός - φωτόνια - που αναπηδούν από αυτά τα αντικείμενα και μπαίνουν στα μάτια μας φαίνεται απίστευτη.

Αυτός ο βομβαρδισμός φωτονίων απορροφάται από περίπου 126 εκατομμύρια φωτοευαίσθητα κύτταρα. Διαφορετικές κατευθύνσεις και ενέργειες φωτονίων μεταδίδονται στον εγκέφαλό μας μέσα διαφορετικές μορφές, χρώματα, φωτεινότητα, γεμίζοντας με εικόνες τον πολύχρωμο κόσμο μας.

Το αξιοσημείωτο όραμά μας έχει προφανώς μια σειρά από περιορισμούς. Δεν μπορούμε να δούμε τα ραδιοκύματα που προέρχονται από το δικό μας ηλεκτρονικές συσκευές, δεν μπορούμε να δούμε τα βακτήρια κάτω από τη μύτη μας. Αλλά με την πρόοδο στη φυσική και τη βιολογία, μπορούμε να αναγνωρίσουμε τους θεμελιώδεις περιορισμούς της φυσικής όρασης. «Ό,τι μπορείς να διακρίνεις έχει ένα κατώφλι, ένα χαμηλότερο επίπεδο, πάνω και κάτω από το οποίο δεν μπορείς να δεις», λέει ο Michael Landy, καθηγητής νευροεπιστήμης στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης.

Ας αρχίσουμε να βλέπουμε αυτά τα οπτικά κατώφλια μέσα από το φακό - συγχωρέστε το λογοπαίγνιο - που πολλοί συνδέουν αρχικά με την όραση: το χρώμα.

Το γιατί βλέπουμε μοβ και όχι καφέ εξαρτάται από την ενέργεια, ή το μήκος κύματος, των φωτονίων που χτυπούν τον αμφιβληστροειδή, που βρίσκεται στο πίσω μέρος των βολβών των ματιών μας. Υπάρχουν δύο τύποι φωτοϋποδοχέων, οι ράβδοι και οι κώνοι. Οι κώνοι είναι υπεύθυνοι για το χρώμα και οι ράβδοι μας επιτρέπουν να βλέπουμε αποχρώσεις του γκρι σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού, όπως τη νύχτα. Οι οψίνες, ή μόρια χρωστικής, στα κύτταρα του αμφιβληστροειδούς απορροφούν την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια από τα προσπίπτοντα φωτόνια, δημιουργώντας μια ηλεκτρική ώθηση. Αυτό το σήμα περνάει οπτικό νεύροστον εγκέφαλο, όπου γεννιέται η συνειδητή αντίληψη των χρωμάτων και των εικόνων.

Έχουμε τρεις τύπους κώνων και αντίστοιχες οψίνες, καθένα από τα οποία είναι ευαίσθητο σε φωτόνια συγκεκριμένου μήκους κύματος. Αυτοί οι κώνοι ονομάζονται S, M και L (μικρά, μεσαία και μεγάλα μήκη κύματος, αντίστοιχα). Αντιλαμβανόμαστε τα μικρά κύματα ως μπλε, τα μακριά κύματα ως κόκκινο. Τα ενδιάμεσα μήκη κύματος και οι συνδυασμοί τους γίνονται ένα πλήρες ουράνιο τόξο. «Όλο το φως που βλέπουμε, εκτός και αν έχει δημιουργηθεί τεχνητά με πρίσματα ή έξυπνες συσκευές όπως τα λέιζερ, είναι ένα μείγμα διαφορετικών μηκών κύματος», λέει ο Landy.

Από όλα τα πιθανά μήκη κύματος ενός φωτονίου, οι κώνοι μας ανιχνεύουν μια μικρή ζώνη από 380 έως 720 νανόμετρα - αυτό που ονομάζουμε ορατό φάσμα. Πέρα από το αντιληπτικό μας φάσμα υπάρχει το υπέρυθρο και το ραδιοφάσμα, το τελευταίο έχει μήκος κύματος που κυμαίνεται από ένα χιλιοστό έως ένα χιλιόμετρο σε μήκος.

Πάνω από το ορατό μας φάσμα, σε υψηλότερες ενέργειες και μικρότερα μήκη κύματος, βρίσκουμε το υπεριώδες φάσμα, μετά τις ακτίνες Χ και στην κορυφή το φάσμα των ακτίνων γάμμα, του οποίου τα μήκη κύματος φτάνουν το ένα τρισεκατομμυριοστό του μέτρου.

Αν και οι περισσότεροι από εμάς περιοριζόμαστε στο ορατό φάσμα, τα άτομα με αφακία (έλλειψη φακού) μπορούν να δουν στο υπεριώδες φάσμα. Η αφακία δημιουργείται συνήθως λόγω χειρουργική αφαίρεσηκαταρράκτη ή γενετικές ανωμαλίες. Κανονικά, ο φακός εμποδίζει το υπεριώδες φως, οπότε χωρίς αυτό, οι άνθρωποι μπορούν να δουν πέρα ​​από το ορατό φάσμα και να αντιληφθούν μήκη κύματος έως και 300 νανόμετρα σε μια μπλε απόχρωση.

Μια μελέτη του 2014 διαπίστωσε ότι, σχετικά, όλοι μπορούμε να δούμε υπέρυθρα φωτόνια. Εάν δύο υπέρυθρα φωτόνια χτυπήσουν κατά λάθος ένα κύτταρο του αμφιβληστροειδούς σχεδόν ταυτόχρονα, η ενέργειά τους συνδυάζεται, μετατρέποντας το μήκος κύματός τους από αόρατο (ας πούμε 1000 νανόμετρα) σε ορατό 500 νανόμετρα (ένα δροσερό πράσινο χρώμα για τα περισσότερα μάτια).

Ένα υγιές ανθρώπινο μάτι έχει τρεις τύπους κώνων, καθένας από τους οποίους μπορεί να διακρίνει περίπου 100 διαφορετικές αποχρώσεις χρώματος, επομένως οι περισσότεροι ερευνητές συμφωνούν ότι τα μάτια μας μπορούν να διακρίνουν περίπου ένα εκατομμύριο αποχρώσεις συνολικά. Ωστόσο, η αντίληψη των χρωμάτων είναι μια αρκετά υποκειμενική ικανότητα που διαφέρει από άτομο σε άτομο, γεγονός που καθιστά δύσκολο τον προσδιορισμό των ακριβών αριθμών.

«Είναι πολύ δύσκολο να το βάλεις αυτό σε αριθμούς», λέει η Kimberly Jamison, ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Irvine. «Αυτό που βλέπει ένας άνθρωπος μπορεί να είναι μόνο μέρος των χρωμάτων που βλέπει ένας άλλος».

Ο Τζέιμισον ξέρει τι λέει γιατί δουλεύει με «τετραχρωμάτες» - άτομα με «υπεράνθρωπη» όραση. Αυτά τα σπάνια άτομα, κυρίως γυναίκες, έχουν μια γενετική μετάλλαξη που τους δίνει επιπλέον τέταρτους κώνους. Σε γενικές γραμμές, χάρη στο τέταρτο σύνολο κώνων, οι τετραχρωμάτες μπορούν να δουν 100 εκατομμύρια χρώματα. (Τα άτομα με αχρωματοψία, διχρωματικά, έχουν μόνο δύο τύπους κώνων και βλέπουν περίπου 10.000 χρώματα.)

Πόσα ελάχιστα φωτόνια πρέπει να δούμε;

Για να λειτουργήσει η χρωματική όραση, οι κώνοι χρειάζονται συνήθως πολύ περισσότερο φως από τους αντίστοιχους ράβδους τους. Επομένως, σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού, το χρώμα «σβήνει» καθώς τα μονόχρωμα sticks έρχονται στο προσκήνιο.

Κάτω από ιδανικές εργαστηριακές συνθήκες και σε περιοχές του αμφιβληστροειδούς όπου οι ράβδοι απουσιάζουν σε μεγάλο βαθμό, οι κώνοι μπορούν να ενεργοποιηθούν από λίγα μόνο φωτόνια. Ωστόσο, τα sticks αποδίδουν καλύτερα σε συνθήκες διάχυτου φωτός. Όπως έδειξαν πειράματα στη δεκαετία του 1940, ένα κβάντο φωτός είναι αρκετό για να τραβήξει την προσοχή μας. «Οι άνθρωποι μπορούν να ανταποκριθούν σε ένα μόνο φωτόνιο», λέει ο Brian Wandell, καθηγητής ψυχολογίας και ηλεκτρολόγων μηχανικών στο Stanford. «Δεν έχει νόημα να είμαστε ακόμη πιο ευαίσθητοι».

Το 1941, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια κάθισαν τους ανθρώπους σε ένα σκοτεινό δωμάτιο και άφησαν τα μάτια τους να προσαρμοστούν. Οι ράβδοι χρειάστηκαν αρκετά λεπτά για να φτάσουν σε πλήρη ευαισθησία - γι' αυτό δυσκολευόμαστε να δούμε πότε σβήνουν ξαφνικά τα φώτα.

Στη συνέχεια, οι επιστήμονες έριξαν ένα μπλε-πράσινο φως μπροστά από τα πρόσωπα των υποκειμένων. Σε επίπεδο πάνω από τη στατιστική πιθανότητα, οι συμμετέχοντες μπόρεσαν να ανιχνεύσουν φως όταν τα πρώτα 54 φωτόνια έφτασαν στα μάτια τους.

Αφού αντιστάθμισαν την απώλεια φωτονίων μέσω της απορρόφησης από άλλα συστατικά του ματιού, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι πέντε φωτόνια ενεργοποίησαν πέντε ξεχωριστές ράβδους που έδιναν στους συμμετέχοντες την αίσθηση του φωτός.

Ποιο είναι το όριο του πιο μικρού και πιο απομακρυσμένου πράγματος που μπορούμε να δούμε;

Αυτό το γεγονός μπορεί να σας εκπλήξει: δεν υπάρχει εσωτερικός περιορισμόςτο πιο μικρό ή το πιο μακρινό πράγμα που μπορούμε να δούμε. Εφόσον αντικείμενα οποιουδήποτε μεγέθους, σε οποιαδήποτε απόσταση, μεταδίδουν φωτόνια στα κύτταρα του αμφιβληστροειδούς, μπορούμε να τα δούμε.

«Το μόνο που ενδιαφέρει το μάτι είναι η ποσότητα του φωτός που χτυπά το μάτι», λέει ο Landy. - Συνολικός αριθμός φωτονίων. Μπορείτε να κάνετε την πηγή φωτός γελοία μικρή και μακρινή, αλλά αν εκπέμπει ισχυρά φωτόνια, θα το δείτε».

Για παράδειγμα, η δημοφιλής πεποίθηση λέει ότι σε μια σκοτεινή, καθαρή νύχτα μπορούμε να δούμε το φως ενός κεριού από απόσταση 48 χιλιομέτρων. Στην πράξη, φυσικά, τα μάτια μας απλά θα κολυμπούν σε φωτόνια, οπότε τα περιπλανώμενα κβάντα φωτός από μεγάλες αποστάσεις απλά θα χαθούν σε αυτό το χάος. «Όταν αυξάνεις την ένταση του φόντου, αυξάνεται η ποσότητα φωτός που χρειάζεσαι για να δεις κάτι», λέει ο Landy.

Ο νυχτερινός ουρανός, με το σκοτεινό φόντο του διάστικτο με αστέρια, παρέχει ένα εντυπωσιακό παράδειγμα της εμβέλειας της όρασής μας. Τα αστέρια είναι τεράστια. πολλά από αυτά που βλέπουμε στον νυχτερινό ουρανό έχουν διάμετρο εκατομμυρίων χιλιομέτρων. Αλλά ακόμη και τα πιο κοντινά αστέρια είναι τουλάχιστον 24 τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα μακριά μας, και επομένως είναι τόσο μικρά για τα μάτια μας που δεν φαίνονται. Και όμως τα βλέπουμε τόσο ισχυρά σημεία εκπομπής φωτός όσο τα φωτόνια ταξιδεύουν σε κοσμικές αποστάσεις και στα μάτια μας.

Όλα τα μεμονωμένα αστέρια που βλέπουμε στον νυχτερινό ουρανό βρίσκονται στον γαλαξία μας - τον Γαλαξία μας. Το πιο μακρινό αντικείμενο που μπορούμε να δούμε με γυμνό μάτι βρίσκεται έξω από τον γαλαξία μας: ο Γαλαξίας της Ανδρομέδας, που βρίσκεται 2,5 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά. (Αν και αυτό είναι αμφιλεγόμενο, ορισμένα άτομα ισχυρίζονται ότι μπορούν να δουν τον Τριγωνικό Γαλαξία σε έναν εξαιρετικά σκοτεινό νυχτερινό ουρανό και είναι τρία εκατομμύρια έτη φωτός μακριά, απλά πρέπει να λάβετε υπόψη τους).

Τα τρισεκατομμύρια αστέρια στον Γαλαξία της Ανδρομέδας, δεδομένης της απόστασης από αυτόν, θολώνουν σε ένα ασαφές, λαμπερό κομμάτι του ουρανού. Κι όμως το μέγεθός του είναι κολοσσιαίο. Όσον αφορά το φαινομενικό μέγεθος, ακόμη και σε εκατοντάδες χιλιόμετρα μακριά, αυτός ο γαλαξίας είναι έξι φορές ευρύτερος από την πανσέληνο. Ωστόσο, τόσο λίγα φωτόνια φτάνουν στα μάτια μας που αυτό το ουράνιο τέρας είναι σχεδόν αόρατο.

Πόσο οξύ μπορεί να είναι η όραση;

Γιατί δεν μπορούμε να διακρίνουμε μεμονωμένα αστέρια στον Γαλαξία της Ανδρομέδας; Τα όρια της οπτικής μας ανάλυσης, ή η οπτική οξύτητα, επιβάλλουν τους περιορισμούς τους. Η οπτική οξύτητα είναι η ικανότητα να διακρίνει κανείς λεπτομέρειες όπως κουκκίδες ή γραμμές ξεχωριστά μεταξύ τους, έτσι ώστε να μην συγχωνεύονται μεταξύ τους. Έτσι, μπορούμε να σκεφτούμε τα όρια της όρασης ως τον αριθμό των «σημείων» που μπορούμε να διακρίνουμε.

Τα όρια της οπτικής οξύτητας τίθενται από διάφορους παράγοντες, όπως οι αποστάσεις μεταξύ των κώνων και των ράβδων που βρίσκονται στον αμφιβληστροειδή. Σημαντική είναι επίσης η οπτική του ίδιου του βολβού του ματιού, η οποία, όπως έχουμε ήδη πει, εμποδίζει τη διείσδυση όλων των πιθανών φωτονίων σε φωτοευαίσθητα κύτταρα.

Θεωρητικά, η έρευνα έχει δείξει ότι το καλύτερο που μπορούμε να δούμε είναι περίπου 120 pixels ανά βαθμό τόξου, μια μονάδα γωνιακής μέτρησης. Μπορείτε να το σκεφτείτε ως μια ασπρόμαυρη σκακιέρα 60 επί 60 που ταιριάζει στο νύχι ενός απλωμένου χεριού. «Είναι το πιο ξεκάθαρο μοτίβο που μπορείτε να δείτε», λέει ο Landy.

Ένα τεστ όρασης, όπως ένα διάγραμμα με μικρά γράμματα, ακολουθεί τις ίδιες αρχές. Αυτά τα ίδια όρια οξύτητας εξηγούν γιατί δεν μπορούμε να διακρίνουμε και να επικεντρωθούμε σε ένα αμυδρό βιολογικό κύτταροπλάτους πολλών μικρομέτρων.

Αλλά μην ξεγράψετε τον εαυτό σας. Ένα εκατομμύριο χρώματα, μεμονωμένα φωτόνια, γαλαξιακούς κόσμους σε απόσταση εκατομμυρίων χιλιομέτρων - δεν είναι πολύ κακό για μια φυσαλίδα ζελέ στις κόγχες των ματιών μας συνδεδεμένη με ένα σφουγγάρι 1,4 κιλών στο κρανίο μας.

Η επιφάνεια της Γης στο οπτικό σας πεδίο αρχίζει να καμπυλώνεται σε απόσταση περίπου 5 km. Αλλά η οξύτητα της ανθρώπινης όρασης μας επιτρέπει να δούμε πολύ πιο μακριά από τον ορίζοντα. Αν δεν υπήρχε καμπυλότητα, θα μπορούσατε να δείτε τη φλόγα ενός κεριού 50 χιλιόμετρα μακριά.

Το εύρος της όρασης εξαρτάται από τον αριθμό των φωτονίων που εκπέμπονται από ένα μακρινό αντικείμενο. Τα 1.000.000.000.000 αστέρια αυτού του γαλαξία εκπέμπουν συλλογικά αρκετό φως ώστε αρκετές χιλιάδες φωτόνια να φτάσουν σε κάθε τετραγωνικό μέτρο. cm Γη. Αυτό είναι αρκετό για να διεγείρει τον αμφιβληστροειδή ανθρώπινο μάτι.

Δεδομένου ότι είναι αδύνατο να ελεγχθεί η οξύτητα της ανθρώπινης όρασης ενώ βρισκόταν στη Γη, οι επιστήμονες κατέφυγαν σε μαθηματικούς υπολογισμούς. Βρήκαν ότι για να δουν φως που τρεμοπαίζει, πρέπει να χτυπήσουν στον αμφιβληστροειδή 5 έως 14 φωτόνια. Μια φλόγα κεριού σε απόσταση 50 km, λαμβάνοντας υπόψη τη σκέδαση του φωτός, δίνει αυτή την ποσότητα και ο εγκέφαλος αναγνωρίζει μια αδύναμη λάμψη.

Πώς να μάθετε κάτι προσωπικό για τον συνομιλητή από το δικό του εμφάνιση

Μυστικά των «κουκουβάγιων» που δεν γνωρίζουν οι «κορυγγάδες».

Πώς λειτουργεί το «brainmail» - μετάδοση μηνυμάτων από εγκέφαλο σε εγκέφαλο μέσω του Διαδικτύου

Γιατί είναι απαραίτητη η πλήξη;

«Man Magnet»: Πώς να γίνετε πιο χαρισματικοί και να προσελκύσετε κόσμο σε εσάς

25 αποσπάσματα που θα αναδείξουν τον εσωτερικό σας μαχητή

Πώς να αναπτύξετε την αυτοπεποίθηση

Είναι δυνατόν να «καθαρίσουμε το σώμα από τις τοξίνες»;

5 λόγοι για τους οποίους οι άνθρωποι θα κατηγορούν πάντα το θύμα, όχι τον εγκληματία, για ένα έγκλημα

Πείραμα: ένας άντρας πίνει 10 κουτάκια κόλα την ημέρα για να αποδείξει τη βλάβη του