Які межі людського зору?

Від спостереження далеких галактик за світлові роки від нас до сприйняття невидимих квітів, Адам Хедхейзі на BBC пояснює, чому ваші очі можуть робити неймовірні речі. Погляньте навколо. Що ви бачите? Всі ці кольори, стіни, вікна, все здається очевидним, як ніби так і має бути тут. Думка про те, що ми все це бачимо завдяки частинкам світла - фотонів - які відскакують від цих об`єктів і потрапляють нам в очі, здається неймовірною.

Ця фотонна бомбардування всмоктується приблизно 126 мільйонами світлочутливих клітин. Різні напрямки та енергії фотонів транслюються в наш мозок в різних формах, кольорах, яскравості, наповнюючи образами наш багатобарвний світ.

Наше чудове зір, очевидно, має низку обмежень. Ми не можемо бачити радіохвилі, які виходять від наших електронних пристроїв, не можемо розглядати бактерій під носом. Але з досягненнями фізики та біології ми можемо визначити фундаментальні обмеження природного зору. «Все, що ви можете розрізнити, має поріг, найнижчий рівень, вище і нижче якого ви бачити не можете», - говорить Майкл Ленді, професор неврології Нью-Йоркського університету.

Почнемо розглядати ці візуальні пороги крізь призму - вибачте за каламбур - що багато хто асоціює із зором в першу чергу: колір.

Чому ми бачимо фіолетовий, а не коричневий, залежить від енергії, або довжини хвиль, фотонів, що падають на сітківку ока, розташовану в задній частині наших очних яблук. Там знаходиться два типи фоторецепторів, палички і колбочки. Колбочки відповідають за колір, а палички дозволяють нам бачити відтінки сірого в умовах низької освітленості, наприклад, вночі. Опсини, або пігментні молекули, в клітинах сітківки поглинають електромагнітну енергію падаючих фотонів, генеруючи електричний імпульс. Цей сигнал йде через зоровий нерв до мозку, де і народжується свідоме сприйняття кольорів і зображень.

У нас є три типи колбочок і відповідних опсинів, кожен з яких чутливий до фотонам певної довжини хвилі. Ці колбочки позначаються буквами S, M і L (короткі, середні і довгі хвилі відповідно). Короткі хвилі ми сприймаємо синіми, довгі - червоними. Довжини хвиль між ними і їх комбінації перетворюються в повну веселку. «Весь світ, який ми бачимо, крім створеного штучно за допомогою призм або хитромудрих пристроїв на зразок лазерів, являє собою суміш різних довжин хвиль, - каже Ленді».

З усіх можливих довжин хвиль фотона наші колбочки виявляють невелику смугу від 380 до 720 нанометрів - то, що ми називаємо видимим спектром. За межами нашого спектра сприйняття є інфрачервоний і радиоспектр, у останнього діапазон хвиль становить від міліметра до кілометра завдовжки.

Над нашим видимим спектром, на більш високих енергіях і коротких довжинах хвиль, ми знаходимо ультрафіолетовий спектр, потім рентгенівські промені і на вершині - гамма-променевої спектр, довжини хвиль якого досягають однієї трильйонної метра.

Хоча більшість з нас обмежені видимим спектром, люди з афакією (відсутністю кришталика) можуть бачити в ультрафіолетовому спектрі. Афакія, як правило, створюється внаслідок оперативного видалення катаракти або вроджених дефектів. Зазвичай кришталик блокує ультрафіолетове світло, тому без нього люди можуть бачити за межами видимого спектру і сприймати довжини хвиль до 300 нанометрів в блакитному відтінку.

Дослідження 2014 року показало, що, умовно кажучи, всі ми можемо бачити інфрачервоні фотони. Якщо два інфрачервоних фотона випадково потрапляють в клітину сітківки майже одночасно, їх енергія об`єднується, конвертуючи їх довжину хвилі з невидимою (наприклад 1000 нанометрів) в видиму 500-нанометровій (холодний зелений колір для більшості очей).

Скільки квітів ми можемо бачити?

Здоровий людське око має три типи колбочок, кожен з яких може розрізняти близько 100 різних колірних відтінків, тому більшість дослідників сходяться на думці, що наші очі в загальному можуть розрізнити приблизно мільйон відтінків. Проте сприйняття кольору - це досить суб`єктивна здатність, яка варіюється від людини до людини, тому визначити точні цифри досить складно.

«Досить важко перекласти це на цифри, - говорить Кімберлі Джеймісон, науковий співробітник Каліфорнійського університету в Ірвіні. - Те, що бачить одна людина, може бути лише частиною квітів, які бачить інша людина ».

Джеймісон знає, про що говорить, оскільки працює з «тетрахроматамі» - людьми, що володіють «надлюдським» зором. Ці рідкісні індивіди, в основному жінки, володіють генетичною мутацією, яка подарувала їм додаткові четверті колбочки. Грубо кажучи, завдяки четвертому набору колб, тетрахромати можуть розгледіти 100 мільйонів квітів. (Люди з колірною сліпотою, дихромати, мають тільки два види колб і бачать приблизно 10 000 квітів).

Скільки мінімум фотонів нам потрібно бачити?

Для того щоб кольоровий зір працювало, колбочкам, як правило, потрібно набагато більше світла, ніж їх колегам-паличок. Тому в умовах низької освітленості колір «гасне», оскільки на передній план виходять монохроматические палички.

В ідеальних лабораторних умовах і в місцях сітківки, де палички здебільшого відсутні, колбочки можуть бути активовані лише жменькою фотонів. І все ж палички краще справляються в умовах розсіяного світла. Як показали експерименти 40-х років, одного кванта світла достатньо, щоб привернути нашу увагу. «Люди можуть реагувати на один фотон, - говорить Брайан Уонделл, професор психології і електротехніки в Стенфорді. - Немає ніякого сенсу в ще більшій чутливості ».

У 1941 році дослідники Колумбійського університету посадили людей в темну кімнату і дали їх очам пристосуватися. Паличок було потрібно декілька хвилин, щоб досягти повної чутливості - ось чому у нас виникають проблеми із зором, коли раптово гасне світло.

Потім вчені запалили синьо-зелене світло перед особами випробовуваних. На рівні, що перевищує статистичну випадковість, учасники змогли зафіксувати світло, коли перші 54 фотона досягли їх очей.

Після компенсації втрати фотонів через всмоктування іншими компонентами очі, вчені виявили, що вже п`ять фотонів активують п`ять окремих паличок, які дають відчуття світла учасникам.

Який межа найдрібнішого і дальнього зарубіжжя, що ми можемо побачити?

Цей факт може вас здивувати: немає ніякого внутрішнього обмеження найменшої або найдальшої речі, яку ми можемо побачити. Поки об`єкти будь-якого розміру, на будь-якій відстані передають фотони клітинам сітківки, ми можемо їх бачити.

«Все, що хвилює очей, ця кількість світла, яке потрапляє на око, - каже Ленді. - Загальна кількість фотонів. Ви можете зробити джерело світла до смішного малим і віддаленим, але якщо він випромінює потужні фотони, ви його побачите ».

Наприклад, поширена думка говорить, що темної ясною вночі ми можемо розгледіти вогник свічки з відстані 48 кілометрів. На практиці, звичайно, наші очі будуть просто купатися в фотонах, тому блукаючі кванти світла з великих відстаней просто загубляться в цій мішанині. «Коли ви збільшуєте інтенсивність фону, кількість світла, яке вам необхідно, щоб щось розгледіти, збільшується», - каже Ленді.

Нічне небо з темним тлом, усіяним зірками, являє собою разючий приклад дальності нашого зору. зірки огромни- багато з тих, що ми бачимо в нічному небі, складають мільйони кілометрів в діаметрі. Але навіть найближчі зірки знаходяться мінімум в 24 трильйонів кілометрів від нас, а тому настільки малі для нашого ока, що їх не розбереш. І все ж ми їх бачимо як потужні випромінюють точки світла, оскільки фотони перетинають космічні відстані і потрапляють в наші очі.

Всі окремі зірки, які ми бачимо в нічному небі, знаходяться в нашій галактиці - Чумацький Шлях. Найдальший об`єкт, який ми можемо розгледіти неозброєним оком, знаходиться за межами нашої галактики: це галактика Андромеди, розташована в 2,5 мільйонах світлових років від нас. (Хоча це спірно, деякі індивіди заявляють, що можуть розглядати галактику Трикутника в надзвичайно темному нічному небі, а вона знаходиться в трьох мільйонах світлових років від нас, тільки доведеться повірити їм на слово).

Трильйон зірок в галактиці Андромеди, враховуючи відстань до неї, розпливаються в смутний світиться клаптик неба. І все ж її розміри колосальні. З точки зору видимого розміру, навіть будучи в квінтильйон кілометрах від нас, ця галактика в шість разів ширше повного Місяця. Однак наших очей досягає так мало фотонів, що цей небесний монстр майже непомітний.

Наскільки гострим може бути зір?

Чому ми не розрізняємо окремих зірок в галактиці Андромеди? Межі нашого візуального дозволу, або гостроти зору, накладають свої обмеження. Гострота зору - це можливість розрізняти такі деталі, як точки або лінії, окремо один від одного, щоб ті не зливалися воєдино. Таким чином, можна вважати межі зору числом «точок», які ми можемо розрізнити.

Межі гостроти зору встановлюють кілька факторів, наприклад, відстані між колбочками і паличками, упакованими в сітківці. Також важлива оптика самого очного яблука, яке, як ми вже говорили, запобігає проникненню всіх можливих фотонів до світлочутливим клітинам.

Теоретично, як показали дослідження, найкраще, що ми можемо розглядати, це приблизно 120 пікселів на градус дуги, одиницю кутового вимірювання. Можете уявити це як чорно-білу шахівницю 60 на 60 клітин, яка вміщується на нігті витягнутої руки. «Це самий чіткий патерн, який ви можете розгледіти», - каже Ленді.

Перевірка зору, начебто таблиці з дрібними буквами, керується тими ж принципами. Ці ж межі гостроти пояснюють, чому ми не може розрізнити і зосередитися на одній тьмяною біологічної клітці шириною в кілька мікрометрів.

Але не списуйте себе з рахунків. Мільйон квітів, поодинокі фотони, галактичні світи за квантілліони кілометрів від нас - не так вже й погано для пляшечки желе в наших орбітах, підключених до 1,4-кілограмової губці в наших черепах.