Habilidades asombrosas del ojo humano: visión cósmica y rayos invisibles. Primer nivel: Visión clara. ¿Qué tan pequeños puedes ver los objetos? Visión clara III

Habla sobre las asombrosas propiedades de nuestra visión, desde la capacidad de ver galaxias distantes hasta la capacidad de capturar ondas de luz aparentemente invisibles.

Mira alrededor de la habitación en la que estás: ¿qué ves? Paredes, ventanas, objetos coloridos: todo esto parece tan familiar y dado por sentado. Es fácil olvidar que vemos el mundo que nos rodea sólo gracias a los fotones: partículas de luz reflejadas por los objetos que impactan en la retina.

Hay aproximadamente 126 millones de células sensibles a la luz en la retina de cada uno de nuestros ojos. El cerebro descifra la información recibida de estas células sobre la dirección y la energía de los fotones que caen sobre ellas y la transforma en una variedad de formas, colores e intensidad de iluminación de los objetos circundantes.

La visión humana tiene sus límites. Por lo tanto, no podemos ver las ondas de radio emitidas por dispositivos electrónicos ni ver las bacterias más pequeñas a simple vista.

Gracias a los avances de la física y la biología se pueden determinar los límites de la visión natural. "Cada objeto que vemos tiene un cierto 'umbral' por debajo del cual dejamos de reconocerlo", afirma Michael Landy, profesor de psicología y neurobiología de la Universidad de Nueva York.

Consideremos primero este umbral en términos de nuestra capacidad para distinguir colores, quizás la primera capacidad que nos viene a la mente en relación con la visión.

Derechos de autor de la ilustración SPL Título de la imagen Los conos son responsables de la percepción del color y los bastones nos ayudan a ver las sombras. gris en condiciones de poca luz

Nuestra capacidad para distinguir, p.e. púrpura del magenta está relacionado con la longitud de onda de los fotones que inciden en la retina. Hay dos tipos de células sensibles a la luz en la retina: bastones y conos. Los conos son responsables de la percepción del color (la llamada visión diurna) y los bastones nos permiten ver tonos de gris con poca luz, por ejemplo, de noche (visión nocturna).

El ojo humano tiene tres tipos de conos y un número correspondiente de tipos de opsinas, cada una de las cuales es particularmente sensible a fotones con un rango específico de longitudes de onda de luz.

Los conos tipo S son sensibles a la porción de longitud de onda corta azul violeta del espectro visible; Los conos tipo M son responsables del verde-amarillo (longitud de onda media) y los conos tipo L son responsables del amarillo-rojo (longitud de onda larga).

Todas estas ondas, así como sus combinaciones, nos permiten ver toda la gama de colores del arcoíris. "Todas las fuentes visible para los humanos"Las luces, a excepción de algunas artificiales (como un prisma refractivo o un láser), emiten una mezcla de longitudes de onda de diferentes longitudes", dice Landy.

Derechos de autor de la ilustración ThinkStock Título de la imagen No todo el espectro es bueno para nuestros ojos...

De todos los fotones que existen en la naturaleza, nuestros conos son capaces de detectar solo aquellos caracterizados por longitudes de onda en un rango muy estrecho (generalmente de 380 a 720 nanómetros); esto se llama espectro. radiación visible. Por debajo de este rango se encuentran los espectros infrarrojo y de radio; las longitudes de onda de los fotones de baja energía de estos últimos varían desde milímetros hasta varios kilómetros.

Al otro lado del rango de longitud de onda visible se encuentra el espectro ultravioleta, seguido de los rayos X y luego el espectro de rayos gamma con fotones cuyas longitudes de onda son inferiores a una billonésima parte de un metro.

Aunque la mayoría de nosotros tenemos una visión limitada en el espectro visible, las personas con afaquia (ausencia de un cristalino en el ojo (lo que resulta en operación quirúrgica con cataratas o, menos comúnmente, debido a un defecto de nacimiento) - pueden ver ondas ultravioleta.

En un ojo sano, la lente bloquea las ondas ultravioleta, pero en su ausencia una persona es capaz de percibir ondas de hasta unos 300 nanómetros de longitud como azul-blanco.

Un estudio de 2014 señala que, en cierto sentido, todos podemos ver fotones infrarrojos. Si dos de estos fotones golpean la misma célula de la retina casi simultáneamente, su energía puede acumularse, convirtiendo ondas invisibles de, digamos, 1.000 nanómetros en una onda visible de 500 nanómetros (la mayoría de nosotros percibimos ondas de esta longitud como ondas frías). verde).

¿Cuántos colores vemos?

en el ojo persona sana Tres tipos de conos, cada uno de los cuales es capaz de distinguir alrededor de 100 tonos diferentes de color. Por esta razón, la mayoría de los investigadores estiman en alrededor de un millón el número de colores que podemos distinguir. Sin embargo, la percepción del color es muy subjetiva e individual.

Jameson sabe de lo que está hablando. Ella estudia la visión de los tetracromáticos, personas con habilidades verdaderamente sobrehumanas para distinguir colores. La tetracromacia es rara y ocurre en la mayoría de los casos en mujeres. Como resultado de una mutación genética, tienen un cuarto tipo de cono adicional, que les permite, según estimaciones aproximadas, ver hasta 100 millones de colores. (Las personas daltónicas, o dicrómatas, sólo tienen dos tipos de conos: no pueden distinguir más de 10.000 colores).

¿Cuántos fotones necesitamos para ver una fuente de luz?

En general, los conos requieren mucha más luz para funcionar de manera óptima que los bastones. Por este motivo, con poca luz, nuestra capacidad para distinguir colores disminuye, y se ponen a trabajar bastones, proporcionando visión en blanco y negro.

En condiciones ideales de laboratorio, en áreas de la retina donde los bastones están en gran medida ausentes, los conos pueden activarse con sólo unos pocos fotones. Sin embargo, las varillas hacen un trabajo aún mejor al registrar incluso la luz más tenue.

Derechos de autor de la ilustración SPL Título de la imagen Después de una cirugía ocular, algunas personas pueden ver la luz ultravioleta.

Como muestran los primeros experimentos realizados en la década de 1940, un cuanto de luz es suficiente para que nuestros ojos lo vean. "Una persona puede ver un solo fotón", afirma Brian Wandell, profesor de psicología e ingeniería eléctrica en la Universidad de Stanford. "Simplemente no tiene sentido que la retina sea más sensible".

En 1941, investigadores de la Universidad de Columbia realizaron un experimento: llevaron a los sujetos a una habitación oscura y les dieron a sus ojos un tiempo determinado para adaptarse. Las varillas requieren varios minutos para lograr una sensibilidad total; Por eso, cuando apagamos las luces de una habitación, perdemos la capacidad de ver cualquier cosa durante un rato.

Luego se dirigió una luz azul verdosa intermitente a los rostros de los sujetos. Con una probabilidad superior a la normal, los participantes en el experimento registraron un destello de luz cuando sólo 54 fotones impactaron en la retina.

No todos los fotones que llegan a la retina son detectados por las células sensibles a la luz. Teniendo esto en cuenta, los científicos han llegado a la conclusión de que sólo cinco fotones que activan cinco bastones diferentes en la retina son suficientes para que una persona vea un destello.

Objetos visibles más pequeños y más distantes

Quizás te sorprenda el siguiente hecho: nuestra capacidad para ver un objeto no depende en absoluto de su tamaño físico o de su distancia, sino de si al menos algunos fotones emitidos por él impactarán en nuestra retina.

“Lo único que el ojo necesita para ver algo es una cierta cantidad de luz emitida o reflejada por el objeto”, afirma Landy. “Todo se reduce a la cantidad de fotones que llegan a la retina, por pequeña que sea la fuente de luz. Incluso si existe por una fracción de segundo, aún podemos verlo si emite suficientes fotones".

Derechos de autor de la ilustración ThinkStock Título de la imagen El ojo sólo necesita una pequeña cantidad de fotones para ver la luz.

Los libros de texto de psicología suelen contener la afirmación de que en una noche oscura y sin nubes se puede ver la llama de una vela desde una distancia de hasta 48 km. En realidad, nuestra retina es bombardeada constantemente por fotones, de modo que un solo cuanto de luz emitido desde una gran distancia simplemente se pierde en su fondo.

Para hacernos una idea de hasta dónde podemos ver, miremos el cielo nocturno, salpicado de estrellas. El tamaño de las estrellas es enorme; muchos de los que vemos a simple vista alcanzan millones de kilómetros de diámetro.

Sin embargo, incluso las estrellas más cercanas a nosotros se encuentran a una distancia de más de 38 billones de kilómetros de la Tierra, por lo que sus tamaños aparentes son tan pequeños que nuestros ojos no son capaces de distinguirlas.

Por otro lado, todavía observamos estrellas en forma de fuentes de luz puntuales brillantes, ya que los fotones que emiten superan las gigantescas distancias que nos separan y llegan a nuestra retina.

Derechos de autor de la ilustración ThinkStock Título de la imagen La agudeza visual disminuye a medida que aumenta la distancia al objeto.

Todas las estrellas individuales visibles en el cielo nocturno se encuentran en nuestra galaxia, la Vía Láctea. El objeto más distante de nosotros que una persona puede ver a simple vista se encuentra fuera de la Vía Láctea y es en sí mismo un cúmulo de estrellas: esta es la Nebulosa de Andrómeda, ubicada a una distancia de 2,5 millones de años luz, o 37 quintillones de kilómetros, de el sol. (Algunas personas afirman que en noches especialmente oscuras, su aguda visión les permite ver la galaxia Triángulo, situada a unos 3 millones de años luz de distancia, pero dejan esta afirmación a su conciencia).

La nebulosa de Andrómeda contiene un billón de estrellas. Debido a la gran distancia, todas estas luminarias se funden ante nosotros en una mota de luz apenas visible. Además, el tamaño de la Nebulosa de Andrómeda es colosal. Incluso a una distancia tan gigantesca, su tamaño angular es seis veces el diámetro de la Luna llena. Sin embargo, nos llegan tan pocos fotones de esta galaxia que apenas es visible en el cielo nocturno.

Límite de agudeza visual

¿Por qué no podemos ver estrellas individuales en la Nebulosa de Andrómeda? El hecho es que la resolución, o agudeza visual, tiene sus limitaciones. (La agudeza visual se refiere a la capacidad de distinguir elementos como un punto o una línea como objetos separados que no se mezclan con objetos adyacentes ni con el fondo).

De hecho, la agudeza visual se puede describir de la misma manera que la resolución de un monitor de computadora: en el tamaño mínimo de píxeles que todavía podemos distinguir como puntos individuales.

Derechos de autor de la ilustración SPL Título de la imagen Se pueden ver objetos bastante brillantes a una distancia de varios años luz.

Las limitaciones en la agudeza visual dependen de varios factores, como la distancia entre los conos y bastones individuales de la retina. Un papel igualmente importante lo desempeñan las características ópticas del globo del ojo, por lo que no todos los fotones llegan a la célula fotosensible.

En teoría, las investigaciones muestran que nuestra agudeza visual se limita a la capacidad de distinguir unos 120 píxeles por grado angular (una unidad de medida angular).

Una ilustración práctica de los límites de la agudeza visual humana se puede encontrar a distancia longitud del brazo un objeto del tamaño de una uña, con 60 líneas horizontales y 60 verticales pintadas, alternando blanco y negro, formando algo así como un tablero de ajedrez. "Aparentemente, este es el patrón más pequeño que el ojo humano todavía puede discernir", dice Landy.

Las tablas que utilizan los oftalmólogos para comprobar la agudeza visual se basan en este principio. La tabla más famosa de Rusia, Sivtsev, consta de filas de letras mayúsculas negras sobre un fondo blanco, cuyo tamaño de fuente se hace más pequeño con cada fila.

La agudeza visual de una persona está determinada por el tamaño de la fuente, en el que deja de ver claramente los contornos de las letras y comienza a confundirlas.

Derechos de autor de la ilustración ThinkStock Título de la imagen Los gráficos de agudeza visual utilizan letras negras sobre un fondo blanco.

Es el límite de la agudeza visual lo que explica el hecho de que no podamos ver a simple vista una célula biológica cuyas dimensiones sean de sólo unos pocos micrómetros.

Pero no hay necesidad de lamentarse por esto. La capacidad de distinguir un millón de colores, capturar fotones individuales y ver galaxias a varios quintillones de kilómetros de distancia es un resultado bastante bueno, considerando que nuestra visión la proporcionan un par de bolas gelatinosas en las cuencas de los ojos, conectadas a una masa porosa de 1,5 kg. en el cráneo.

17 de agosto de 2015, 09:25

Lo invitamos a conocer las asombrosas propiedades de nuestra visión, desde la capacidad de ver galaxias distantes hasta la capacidad de capturar ondas de luz aparentemente invisibles.

Mira alrededor de la habitación en la que estás: ¿qué ves? Paredes, ventanas, objetos coloridos: todo esto parece tan familiar y dado por sentado. Es fácil olvidar que vemos el mundo que nos rodea sólo gracias a los fotones: partículas de luz reflejadas por los objetos que impactan en la retina.

Hay aproximadamente 126 millones de células sensibles a la luz en la retina de cada uno de nuestros ojos. El cerebro descifra la información recibida de estas células sobre la dirección y la energía de los fotones que caen sobre ellas y la transforma en una variedad de formas, colores e intensidad de iluminación de los objetos circundantes.

La visión humana tiene sus límites. Por lo tanto, no podemos ver las ondas de radio emitidas por dispositivos electrónicos ni ver las bacterias más pequeñas a simple vista.

Gracias a los avances de la física y la biología se pueden determinar los límites de la visión natural. "Cada objeto que vemos tiene un cierto 'umbral' por debajo del cual dejamos de reconocerlo", afirma Michael Landy, profesor de psicología y neurobiología de la Universidad de Nueva York.

Consideremos primero este umbral en términos de nuestra capacidad para distinguir colores, quizás la primera capacidad que nos viene a la mente en relación con la visión.

Nuestra capacidad para distinguir, por ejemplo, el color violeta del magenta está relacionada con la longitud de onda de los fotones que llegan a la retina. Hay dos tipos de células sensibles a la luz en la retina: bastones y conos. Los conos son responsables de la percepción del color (la llamada visión diurna) y los bastones nos permiten ver tonos de gris con poca luz, por ejemplo, de noche (visión nocturna).

El ojo humano tiene tres tipos de conos y un número correspondiente de tipos de opsinas, cada una de las cuales es particularmente sensible a fotones con un rango específico de longitudes de onda de luz.

Los conos tipo S son sensibles a la porción de longitud de onda corta azul violeta del espectro visible; Los conos tipo M son responsables del verde-amarillo (longitud de onda media) y los conos tipo L son responsables del amarillo-rojo (longitud de onda larga).

Todas estas ondas, así como sus combinaciones, nos permiten ver toda la gama de colores del arcoíris. "Todas las fuentes de luz visible humana, con excepción de algunas artificiales (como un prisma refractivo o un láser), emiten una mezcla de diferentes longitudes de onda", dice Landy.

De todos los fotones que existen en la naturaleza, nuestros conos son capaces de detectar solo aquellos caracterizados por longitudes de onda en un rango muy estrecho (generalmente de 380 a 720 nanómetros); esto se llama espectro de radiación visible. Por debajo de este rango se encuentran los espectros infrarrojo y de radio; las longitudes de onda de los fotones de baja energía de estos últimos varían desde milímetros hasta varios kilómetros.

Al otro lado del rango de longitud de onda visible se encuentra el espectro ultravioleta, seguido de los rayos X y luego el espectro de rayos gamma con fotones cuyas longitudes de onda son inferiores a una billonésima parte de un metro.

Aunque la mayoría de nosotros tenemos una visión limitada en el espectro visible, las personas con afaquia (ausencia del cristalino en el ojo (como resultado de una cirugía de cataratas o, menos comúnmente, un defecto de nacimiento), pueden ver longitudes de onda ultravioleta.

En un ojo sano, la lente bloquea las ondas ultravioleta, pero en su ausencia una persona es capaz de percibir ondas de hasta unos 300 nanómetros de longitud como azul-blanco.

Un estudio de 2014 señala que, en cierto sentido, todos podemos ver fotones infrarrojos. Si dos de estos fotones golpean la misma célula de la retina casi simultáneamente, su energía puede acumularse, convirtiendo ondas invisibles de, digamos, 1.000 nanómetros en una longitud de onda visible de 500 nanómetros (la mayoría de nosotros percibimos ondas de esta longitud como de un color verde frío). .

¿Cuántos colores vemos?

En un ojo humano sano hay tres tipos de conos, cada uno de los cuales es capaz de distinguir alrededor de 100 tonos diferentes de color. Por esta razón, la mayoría de los investigadores estiman en alrededor de un millón el número de colores que podemos distinguir. Sin embargo, la percepción del color es muy subjetiva e individual.

Jameson sabe de lo que está hablando. Ella estudia la visión de los tetracromáticos, personas con habilidades verdaderamente sobrehumanas para distinguir colores. La tetracromacia es rara y ocurre en la mayoría de los casos en mujeres. Como resultado de una mutación genética, tienen un cuarto tipo de cono adicional, que les permite, según estimaciones aproximadas, ver hasta 100 millones de colores. (Las personas daltónicas, o dicrómatas, sólo tienen dos tipos de conos: no pueden distinguir más de 10.000 colores).

¿Cuántos fotones necesitamos para ver una fuente de luz?

En general, los conos requieren mucha más luz para funcionar de manera óptima que los bastones. Por este motivo, con poca luz, nuestra capacidad para distinguir colores disminuye, y se ponen a trabajar bastones, proporcionando visión en blanco y negro.

En condiciones ideales de laboratorio, en áreas de la retina donde los bastones están en gran medida ausentes, los conos pueden activarse con sólo unos pocos fotones. Sin embargo, las varillas hacen un trabajo aún mejor al registrar incluso la luz más tenue.

Como muestran los primeros experimentos realizados en la década de 1940, un cuanto de luz es suficiente para que nuestros ojos lo vean. "Una persona puede ver un solo fotón", afirma Brian Wandell, profesor de psicología e ingeniería eléctrica en la Universidad de Stanford. "Simplemente no tiene sentido que la retina sea más sensible".

En 1941, investigadores de la Universidad de Columbia realizaron un experimento: llevaron a los sujetos a una habitación oscura y les dieron a sus ojos un tiempo determinado para adaptarse. Las varillas requieren varios minutos para lograr una sensibilidad total; Por eso, cuando apagamos las luces de una habitación, perdemos la capacidad de ver cualquier cosa durante un rato.

Luego se dirigió una luz azul verdosa intermitente a los rostros de los sujetos. Con una probabilidad superior a la normal, los participantes en el experimento registraron un destello de luz cuando sólo 54 fotones impactaron en la retina.

No todos los fotones que llegan a la retina son detectados por las células sensibles a la luz. Teniendo esto en cuenta, los científicos han llegado a la conclusión de que sólo cinco fotones que activan cinco bastones diferentes en la retina son suficientes para que una persona vea un destello.

Objetos visibles más pequeños y más distantes

Quizás te sorprenda el siguiente hecho: nuestra capacidad para ver un objeto no depende en absoluto de su tamaño físico o de su distancia, sino de si al menos algunos fotones emitidos por él impactarán en nuestra retina.

“Lo único que el ojo necesita para ver algo es una cierta cantidad de luz emitida o reflejada por el objeto”, afirma Landy. “Todo se reduce a la cantidad de fotones que llegan a la retina, por pequeña que sea la fuente de luz. Incluso si existe por una fracción de segundo, aún podemos verlo si emite suficientes fotones".

Los libros de texto de psicología suelen contener la afirmación de que en una noche oscura y sin nubes se puede ver la llama de una vela desde una distancia de hasta 48 km. En realidad, nuestra retina es bombardeada constantemente por fotones, de modo que un solo cuanto de luz emitido desde una gran distancia simplemente se pierde en su fondo.

Para hacernos una idea de hasta dónde podemos ver, miremos el cielo nocturno, salpicado de estrellas. El tamaño de las estrellas es enorme; muchos de los que vemos a simple vista alcanzan millones de kilómetros de diámetro.

Sin embargo, incluso las estrellas más cercanas a nosotros se encuentran a una distancia de más de 38 billones de kilómetros de la Tierra, por lo que sus tamaños aparentes son tan pequeños que nuestros ojos no son capaces de distinguirlas.

Por otro lado, todavía observamos estrellas en forma de fuentes de luz puntuales brillantes, ya que los fotones que emiten superan las gigantescas distancias que nos separan y llegan a nuestra retina.

Todas las estrellas individuales visibles en el cielo nocturno se encuentran en nuestra galaxia, la Vía Láctea. El objeto más distante de nosotros que una persona puede ver a simple vista se encuentra fuera de la Vía Láctea y es en sí mismo un cúmulo de estrellas: esta es la Nebulosa de Andrómeda, ubicada a una distancia de 2,5 millones de años luz, o 37 quintillones de kilómetros, de el sol. (Algunas personas afirman que en noches especialmente oscuras, su aguda visión les permite ver la galaxia Triángulo, situada a unos 3 millones de años luz de distancia, pero dejan esta afirmación a su conciencia).

La nebulosa de Andrómeda contiene un billón de estrellas. Debido a la gran distancia, todas estas luminarias se funden ante nosotros en una mota de luz apenas visible. Además, el tamaño de la Nebulosa de Andrómeda es colosal. Incluso a una distancia tan gigantesca, su tamaño angular es seis veces el diámetro de la Luna llena. Sin embargo, nos llegan tan pocos fotones de esta galaxia que apenas es visible en el cielo nocturno.

Límite de agudeza visual

¿Por qué no podemos ver estrellas individuales en la Nebulosa de Andrómeda? El hecho es que la resolución, o agudeza visual, tiene sus limitaciones. (La agudeza visual se refiere a la capacidad de distinguir elementos como un punto o una línea como objetos separados que no se mezclan con objetos adyacentes ni con el fondo).

De hecho, la agudeza visual se puede describir de la misma manera que la resolución de un monitor de computadora: en el tamaño mínimo de píxeles que todavía podemos distinguir como puntos individuales.

Las limitaciones en la agudeza visual dependen de varios factores, como la distancia entre los conos y bastones individuales de la retina. Un papel igualmente importante lo desempeñan las características ópticas del propio globo ocular, por lo que no todos los fotones llegan a la célula fotosensible.

En teoría, las investigaciones muestran que nuestra agudeza visual se limita a la capacidad de distinguir unos 120 píxeles por grado angular (una unidad de medida angular).

Una ilustración práctica de los límites de la agudeza visual humana puede ser un objeto ubicado con el brazo extendido, del tamaño de una uña, al que se le aplican 60 líneas horizontales y 60 verticales de colores alternativos blanco y negro, formando una apariencia de tablero de ajedrez. "Aparentemente, este es el patrón más pequeño que el ojo humano todavía puede discernir", dice Landy.

Las tablas que utilizan los oftalmólogos para comprobar la agudeza visual se basan en este principio. La tabla más famosa de Rusia, Sivtsev, consta de filas de letras mayúsculas negras sobre un fondo blanco, cuyo tamaño de fuente se hace más pequeño con cada fila.

La agudeza visual de una persona está determinada por el tamaño de la fuente, en el que deja de ver claramente los contornos de las letras y comienza a confundirlas.

Es el límite de la agudeza visual lo que explica el hecho de que no podamos ver a simple vista una célula biológica cuyas dimensiones sean de sólo unos pocos micrómetros.

Pero no hay necesidad de lamentarse por esto. La capacidad de distinguir un millón de colores, capturar fotones individuales y ver galaxias a varios quintillones de kilómetros de distancia es un resultado bastante bueno, considerando que nuestra visión la proporcionan un par de bolas gelatinosas en las cuencas de los ojos, conectadas a una masa porosa de 1,5 kg. en el cráneo.

La superficie de la Tierra se curva y desaparece de la vista a una distancia de 5 kilómetros. Pero nuestra agudeza visual nos permite ver mucho más allá del horizonte. Si la Tierra fuera plana, o si estuvieras en la cima de una montaña y miraras un área del planeta mucho más grande de lo habitual, serías capaz de ver luces brillantes a cientos de kilómetros de distancia. En una noche oscura, incluso podrías ver la llama de una vela ubicada a 48 kilómetros de ti.

La distancia que puede ver el ojo humano depende de cuántas partículas de luz, o fotones, emite un objeto distante. El objeto más lejano visible a simple vista es la Nebulosa de Andrómeda, situada a una enorme distancia de 2,6 millones de años luz de la Tierra. El billón de estrellas de la galaxia emite suficiente luz en total como para provocar que varios miles de fotones golpeen cada centímetro cuadrado de la superficie de la Tierra cada segundo. En una noche oscura, esta cantidad es suficiente para activar la retina.

En 1941, el científico de la visión Selig Hecht y sus colegas de la Universidad de Columbia crearon lo que todavía se considera una medida fiable del umbral visual absoluto: el número mínimo de fotones que deben llegar a la retina para producir conciencia visual. El experimento estableció el umbral en condiciones ideales: los ojos de los participantes tuvieron tiempo de adaptarse completamente a la oscuridad absoluta, el destello de luz azul-verde que actuaba como estímulo tenía una longitud de onda de 510 nanómetros (a la que los ojos son más sensibles), y la luz se dirigió al borde periférico de la retina, lleno de células bastoncillos sensibles a la luz.

Según los científicos, para que los participantes en el experimento pudieran reconocer un destello de luz de este tipo en más de la mitad de los casos, tuvieron que impactar entre 54 y 148 fotones en los globos oculares. Basándose en las mediciones de absorción retiniana, los científicos estiman que los bastones de la retina humana absorben una media de 10 fotones. Así, la absorción de 5 a 14 fotones o, respectivamente, la activación de 5 a 14 bastones le indica al cerebro que estás viendo algo.

“Esto es realmente una cantidad muy pequeña. reacciones quimicas", señalaron Hecht y sus colegas en un artículo sobre este experimento.

Teniendo en cuenta el umbral absoluto, el brillo de la llama de una vela y la distancia estimada a la que se oscurece un objeto luminoso, los científicos concluyeron que una persona podría percibir el leve parpadeo de la llama de una vela a una distancia de 48 kilómetros.

Los objetos del tamaño de una persona se distinguen por estar extendidos a una distancia de sólo unos 3 kilómetros. En comparación, a esa distancia podríamos distinguir claramente los faros de dos coches. Pero ¿a qué distancia podemos reconocer que un objeto es algo más que un simple destello de luz? Para que un objeto parezca espacialmente extendido y no puntual, su luz debe activar al menos dos conos retinianos adyacentes, las células responsables de la visión del color. En condiciones ideales, un objeto debe estar en un ángulo de al menos 1 minuto de arco, o un sexto de grado, para excitar los conos adyacentes. Esta medida angular sigue siendo la misma ya sea que el objeto esté cerca o lejos (el objeto distante debe ser mucho más grande para estar en el mismo ángulo que el cercano). La Luna Llena se encuentra en un ángulo de 30 minutos de arco, mientras que Venus apenas es visible como un objeto extendido en un ángulo de aproximadamente 1 minuto de arco.

Desde ver galaxias distantes a años luz hasta percibir colores invisibles, Adam Hadhazy de la BBC explica por qué tus ojos pueden hacer cosas increíbles. Echa un vistazo a tu alrededor. ¿Qué ves? Todos estos colores, paredes, ventanas, todo parece obvio, como si así debería ser aquí. La idea de que veamos todo esto gracias a partículas de luz -fotones- que rebotan en estos objetos y entran en nuestros ojos parece increíble.

Este bombardeo de fotones es absorbido por aproximadamente 126 millones de células sensibles a la luz. Se transmiten diferentes direcciones y energías de fotones a nuestro cerebro en diferentes formas, colores, brillo, llenando de imágenes nuestro mundo multicolor.

Nuestra notable visión obviamente tiene una serie de limitaciones. No podemos ver las ondas de radio provenientes de nuestro dispositivos electronicos, no podemos ver las bacterias debajo de nuestra nariz. Pero con los avances en física y biología, podemos identificar las limitaciones fundamentales de la visión natural. "Todo lo que puedes discernir tiene un umbral, un nivel más bajo, por encima y por debajo del cual no puedes ver", dice Michael Landy, profesor de neurociencia en la Universidad de Nueva York.

Comencemos a mirar estos umbrales visuales a través de la lente (perdón por el juego de palabras) que muchos asocian con la visión en primer lugar: el color.

Por qué vemos violeta y no marrón depende de la energía, o longitud de onda, de los fotones que llegan a la retina, ubicada en la parte posterior de nuestros globos oculares. Hay dos tipos de fotorreceptores, bastones y conos. Los conos son responsables del color y los bastones nos permiten ver tonos de gris en condiciones de poca luz, como por ejemplo de noche. Las opsinas, o moléculas de pigmento, en las células de la retina absorben energía electromagnética de los fotones incidentes, generando un impulso eléctrico. Esta señal pasa nervio óptico al cerebro, donde nace la percepción consciente de colores e imágenes.

Tenemos tres tipos de conos y sus correspondientes opsinas, cada uno de los cuales es sensible a fotones de una longitud de onda específica. Estos conos se denominan S, M y L (longitudes de onda corta, media y larga, respectivamente). Las ondas cortas las percibimos en azul y las largas en rojo. Las longitudes de onda intermedias y sus combinaciones se convierten en un completo arcoíris. "Toda la luz que vemos, a menos que se cree artificialmente con prismas o dispositivos inteligentes como láseres, es una mezcla de diferentes longitudes de onda", dice Landy.

De todas las longitudes de onda posibles de un fotón, nuestros conos detectan una pequeña banda de entre 380 y 720 nanómetros, lo que llamamos espectro visible. Más allá de nuestro espectro perceptivo está el espectro infrarrojo y el de radio; este último tiene una longitud de onda que oscila entre un milímetro y un kilómetro de longitud.

Por encima de nuestro espectro visible, a energías más altas y longitudes de onda más cortas, encontramos el espectro ultravioleta, luego los rayos X y en la parte superior el espectro de rayos gamma, cuyas longitudes de onda alcanzan una billonésima de metro.

Aunque la mayoría de nosotros estamos limitados al espectro visible, las personas con afaquia (falta de lente) pueden ver en el espectro ultravioleta. La afaquia generalmente se crea debido a extirpación quirúrgica cataratas o defectos de nacimiento. Normalmente, la lente bloquea la luz ultravioleta, por lo que sin ella, las personas pueden ver más allá del espectro visible y percibir longitudes de onda de hasta 300 nanómetros en un tinte azulado.

Un estudio de 2014 encontró que, en términos relativos, todos podemos ver fotones infrarrojos. Si dos fotones infrarrojos golpean accidentalmente una célula de la retina casi simultáneamente, su energía se combina, convirtiendo su longitud de onda de invisible (digamos 1000 nanómetros) a visible de 500 nanómetros (un color verde frío para la mayoría de los ojos).

Un ojo humano sano tiene tres tipos de conos, cada uno de los cuales puede distinguir alrededor de 100 tonos diferentes de color, por lo que la mayoría de los investigadores coinciden en que nuestros ojos pueden distinguir alrededor de un millón de tonos en total. Sin embargo, la percepción del color es una habilidad bastante subjetiva que varía de persona a persona, lo que dificulta precisar números exactos.

"Es bastante difícil poner eso en cifras", dice Kimberly Jamison, científica investigadora de la Universidad de California, Irvine. "Lo que una persona ve puede ser sólo una parte de los colores que ve otra persona".

Jamison sabe de lo que habla porque trabaja con "tetracromáticos", personas con una visión "sobrehumana". Estos raros individuos, en su mayoría mujeres, tienen una mutación genética que les proporciona cuartos conos adicionales. En términos generales, gracias al cuarto conjunto de conos, los tetracromáticos pueden ver 100 millones de colores. (Las personas con daltonismo, dicrómatas, tienen sólo dos tipos de conos y ven aproximadamente 10.000 colores).

¿Cuántos fotones mínimo necesitamos ver?

Para que la visión del color funcione, los conos suelen necesitar mucha más luz que sus homólogos de bastón. Por lo tanto, en condiciones de poca luz, el color "se desvanece" cuando las barras monocromáticas pasan a primer plano.

En condiciones ideales de laboratorio y en áreas de la retina donde los bastones están prácticamente ausentes, los conos sólo pueden activarse con un puñado de fotones. Aun así, las barras funcionan mejor en condiciones de luz difusa. Como demostraron los experimentos de la década de 1940, un cuanto de luz es suficiente para atraer nuestra atención. "La gente puede responder a un solo fotón", dice Brian Wandell, profesor de psicología e ingeniería eléctrica en Stanford. "No tiene sentido ser aún más sensible".

En 1941, investigadores de la Universidad de Columbia sentaron a personas en una habitación oscura y dejaron que sus ojos se acostumbraran. Las varillas tardaron varios minutos en alcanzar la máxima sensibilidad, razón por la cual tenemos problemas para ver cuando las luces se apagan repentinamente.

Luego, los científicos lanzaron una luz azul verdosa frente a las caras de los sujetos. En un nivel superior al azar estadístico, los participantes pudieron detectar la luz cuando los primeros 54 fotones llegaron a sus ojos.

Después de compensar la pérdida de fotones por absorción por otros componentes del ojo, los científicos descubrieron que cinco fotones activaban cinco bastones separados que daban a los participantes la sensación de luz.

¿Cuál es el límite de lo más pequeño y lejano que podemos ver?

Este hecho puede sorprenderte: no hay limitación interna lo más pequeño o más lejano que podemos ver. Mientras objetos de cualquier tamaño, a cualquier distancia, transmitan fotones a las células de la retina, podremos verlos.

"Lo único que le importa al ojo es la cantidad de luz que llega al ojo", dice Landy. - Número total de fotones. Puedes hacer que la fuente de luz sea ridículamente pequeña y distante, pero si emite fotones potentes, la verás".

Por ejemplo, la creencia popular dice que en una noche oscura y despejada podemos ver la luz de una vela a una distancia de 48 kilómetros. En la práctica, por supuesto, nuestros ojos simplemente nadarán en fotones, por lo que los cuantos de luz errantes desde grandes distancias simplemente se perderán en este lío. "Cuando aumentas la intensidad del fondo, aumenta la cantidad de luz que necesitas para ver algo", dice Landy.

El cielo nocturno, con su fondo oscuro salpicado de estrellas, es un ejemplo sorprendente del alcance de nuestra visión. Las estrellas son enormes; muchos de los que vemos en el cielo nocturno tienen millones de kilómetros de diámetro. Pero incluso las estrellas más cercanas están al menos a 24 billones de kilómetros de nosotros y, por lo tanto, son tan pequeñas a nuestros ojos que no podemos verlas. Y, sin embargo, los vemos como poderosos puntos emisores de luz a medida que los fotones viajan a través de distancias cósmicas y llegan a nuestros ojos.

Todas las estrellas individuales que vemos en el cielo nocturno se encuentran en nuestra galaxia: la Vía Láctea. El objeto más distante que podemos ver a simple vista se encuentra fuera de nuestra galaxia: la galaxia de Andrómeda, situada a 2,5 millones de años luz de distancia. (Aunque esto es controvertido, algunas personas afirman que pueden ver la galaxia del Triángulo en un cielo nocturno extremadamente oscuro y que está a tres millones de años luz de distancia, sólo hay que confiar en su palabra).

Los billones de estrellas de la galaxia de Andrómeda, dada la distancia a la que se encuentran, se desdibujan en una mancha de cielo vaga y brillante. Y, sin embargo, su tamaño es colosal. En términos de tamaño aparente, incluso a quintillones de kilómetros de distancia, esta galaxia es seis veces más ancha que la Luna llena. Sin embargo, tan pocos fotones llegan a nuestros ojos que este monstruo celestial es casi invisible.

¿Qué tan nítida puede ser la visión?

¿Por qué no podemos distinguir estrellas individuales en la galaxia de Andrómeda? Los límites de nuestra resolución visual, o agudeza visual, imponen sus limitaciones. La agudeza visual es la capacidad de distinguir detalles como puntos o líneas por separado para que no se fusionen. Así, podemos pensar en los límites de la visión como el número de “puntos” que podemos distinguir.

Los límites de la agudeza visual vienen fijados por varios factores, como las distancias entre los conos y bastones empaquetados en la retina. También es importante la óptica del propio globo ocular, que, como ya hemos dicho, impide la penetración de todos los posibles fotones en las células sensibles a la luz.

En teoría, las investigaciones han demostrado que lo mejor que podemos ver son unos 120 píxeles por grado de arco, una unidad de medida angular. Puedes imaginarlo como un tablero de ajedrez blanco y negro de 60 por 60 que cabe en la uña de una mano extendida. "Es el patrón más claro que se puede ver", dice Landy.

Una prueba de la vista, como un gráfico con letras minúsculas, sigue los mismos principios. Estos mismos límites de agudeza explican por qué no podemos distinguir y centrarnos en una cosa oscura. célula biológica varios micrómetros de ancho.

Pero no se descarte. Un millón de colores, fotones individuales, mundos galácticos a millones de kilómetros de distancia... nada mal para una burbuja de gelatina en las cuencas de nuestros ojos conectada a una esponja de 1,4 kg en nuestros cráneos.

La superficie de la Tierra en su campo de visión comienza a curvarse a una distancia de unos 5 km. Pero la agudeza de la visión humana nos permite ver mucho más allá del horizonte. Si no hubiera curvatura, se podría ver la llama de una vela a 50 km de distancia.

El rango de visión depende de la cantidad de fotones emitidos por un objeto distante. Las 1.000.000.000.000 de estrellas de esta galaxia emiten en conjunto suficiente luz para que varios miles de fotones lleguen a cada metro cuadrado. cm Tierra. Esto es suficiente para excitar la retina. ojo humano.

Como es imposible comprobar la agudeza de la visión humana mientras se está en la Tierra, los científicos recurrieron a cálculos matemáticos. Descubrieron que para ver la luz parpadeante, es necesario que entre 5 y 14 fotones lleguen a la retina. La llama de una vela a una distancia de 50 km, teniendo en cuenta la dispersión de la luz, da esta cantidad y el cerebro reconoce un brillo débil.

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