Jakie są granice ludzkiego wzroku?

Z obserwacji odległych galaktyk lat świetlnych od nas do postrzegania barw niewidzialnych Adam Hedheyzi na BBC wyjaśnia, dlaczego Twoje oczy mogą zrobić niesamowite rzeczy. Rozejrzyj się wokół. Co widzisz? Wszystkie te kolory, ściany, okna, wszystko wydaje się oczywiste, jakby powinno być tutaj. Pomysł, że widzimy go przez cząstki światła - fotony - które odbijają się od obiektów i należą do naszych oczu, wydaje się niewiarygodne.

Ten fotonów bombardowanie zaabsorbował około 126 milionów komórek wrażliwych na światło. Inny kierunek i energia fotonów są transmitowane w naszych mózgach w różnych kształtach, kolorach, jasność, wypełnione obrazami naszej wielobarwnym świecie.

Nasz znakomity wzrok oczywiście ma kilka ograniczeń. Nie widzimy fale radiowe pochodzące z naszych urządzeń elektronicznych, nie widać bakterii pod nosem. Ale wraz z rozwojem fizyki i biologii, możemy określić podstawowe granice naturalne. „Wszystko, co można odróżnić progu, najniższy poziom powyżej i poniżej której nie można zobaczyć” - mówi Michał Landy, profesor neurologii na Uniwersytecie w Nowym Jorku.

Zacząć patrzeć na wizualnych progów w świetle - przepraszam za kalambur - że wielu kojarzy się z pierwszym widzeniu: kolor.

Dlaczego widzimy fioletowy, brązowy nie, to zależy od energii lub długości fali, fotony zdarzeniu na siatkówce znajduje się w tylnej części naszych gałek ocznych. Istnieją dwa rodzaje fotoreceptorów pręcików i czopków. Stożki są odpowiedzialne za kolor i kije pozwalają nam zobaczyć odcienie szarości w warunkach słabego oświetlenia, na przykład w nocy. Opsins lub cząsteczek pigmentu w komórkach siatkówki absorbuje energię elektromagnetyczną fotonów zajściu, generowania impulsów elektrycznych. Ten sygnał przechodzi przez nerw wzrokowy do mózgu, gdzie jest ono urodziło świadomej percepcji kolorów i obrazów.

Mamy trzy rodzaje czopków oraz odpowiedni opsyny każdy wrażliwy na fotony o określonej długości fali. Stożki te są oznaczone przez litery S, M i L (krótko-, średnio- i długościach fali, odpowiednio). Krótka fala widzimy niebieski, długi - czerwony. Długość fali między nimi i ich kombinacje są przekształcane na pełnym tęczy. „Wszystko światło, które widzimy, oprócz stworzony sztucznie za pomocą pryzmatów lub inteligentnych urządzeń, takich jak lasery, jest mieszaniną różnych długościach fali - powiedział Landy.”

Wszystkich możliwych długości fali fotonu szyszek odkryć naszą małą grupę 380 do 720 nanometrów - co nazywamy widma widzialnego. Poza zakres naszego percepcji jest w podczerwieni i widma radiowego, przy czym ostatni zakres pasma od milimetrów do kilometrów.

W ciągu naszego widzialnego widma wyższych energiach i krótszych długości fal, znajdujemy widmo w nadfiolecie, a następnie rentgenowskie, a na górze - widmo promieniowania gamma, w którym długość fali osiągnąć trylionową metra.

Mimo, że większość z nas są ograniczone do widma widzialnego, osoby afakia (brak soczewkę) są widoczne w widmie ultrafioletowym. Afakia zwykle tworzone w wyniku chirurgicznego usunięcia zaćmy lub wad wrodzonych. Zwykle, światło UV blokuje obiektyw, więc bez niej ludzie widzą poza widzialnym spektrum długości fal i dostrzegać do 300 nm w niebieskawym odcieniem.

Badanie przeprowadzone w 2014 roku wykazały, że relatywnie rzecz biorąc, wszyscy możemy zobaczyć fotonów podczerwieni. Jeśli dwa fotonów podczerwieni przypadkowo wpadają siatkówki komórek prawie równocześnie, ich łączna energia, przekształcenie go niewidzialnego długości fali (na przykład 1000 nm), w zakresie światła widzialnego 500 nanometrów (zimno na zielono najbardziej oka).

Jak widzimy kolor?

Zdrowe oko ludzkie ma trzy rodzaje czopków, z których każdy może rozróżnić około 100 różnych kolorów, więc większość naukowców zgadza się, że nasze oczy mogą generalnie wyróżnić około miliona odcieni. Jednak postrzeganie barw - raczej prywatną pojemność że waha się od osoby do osoby, dlatego w celu ustalenia dokładnych danych liczbowych jest trudne.

„Jest to dość trudne do przesunięcia go na liczby - mówi Kimberly Jamieson, badacz z University of California w Irvine. - Co jedna osoba widzi, to może być tylko część kolorów widzianych przez inną osobę ".

Jamison wie co mówi, ponieważ działa z „tetrachromacy” - ludzi, którzy mają „nadludzką” wizji. Te rzadkie osób, głównie kobiet, mają mutację genetyczną, która dała im dodatkowe czwarty stożki. Z grubsza rzecz biorąc, z powodu czwartego zbioru szyszek, tetrachromacy można zobaczyć 100 milionów kolorów. (Ludzie z ślepoty barw, dichromianami, mają tylko dwa rodzaje czopków i można zobaczyć około 10 000 kolorów).

Ile fotonów przynajmniej musimy zobaczyć?

W celu widzenie kolorów działało, stożki zazwyczaj potrzebują dużo więcej światła niż ich koledzy kije. W związku z tym, w dolnym jasny kolor jest „ugaszony”, jak przednie monochromatycznych coli.

W idealnych warunkach laboratoryjnych i na obszarach siatkówki gdzie laski są w dużym stopniu nieobecna, szyszki może być aktywowany tylko przez garstkę fotonów. Jeszcze wciska lepszą pracę w warunkach rozproszonego światła. Eksperymenty wykazały, że 40-ych, jeden kwant światła wystarczy aby dostać naszą uwagę. „Ludzie mogą reagować na pojedynczy foton - powiedział Brian Wandell, profesor psychologii i inżynierii elektrycznej na Uniwersytecie Stanforda. - Nie ma sensu w jeszcze większej wrażliwości ".

W 1941 roku naukowcy Columbia University z siedzibą ludzi w ciemnym pokoju i dał ich oczy dostosować. Przykleja zajęło kilka minut, aby osiągnąć pełną czułości - dlatego mamy problemy z widzeniem, gdy nagle gaśnie światło.

Naukowcy następnie zapalił światło niebiesko-zielone przed badanych osób. Na poziomie przekraczającym fuks statystycznych, uczestnicy byli w stanie naprawić światło, kiedy pierwszy foton 54 osiągnęła swoje oczy.

Po utracie fotonów płatność poprzez wchłanianie innych składników oka, naukowcy odkryli, że za pięć z pięciu pojedynczych fotonów aktywować kije, które dają uczestnikom poczucie świata.

Jaki jest limit małe i odległe, że możemy zobaczyć?

Ten fakt może cię zaskoczyć: nie ma wewnętrzne ograniczenia najmniejszy lub najbardziej odległa, co możemy zobaczyć. Dopóki obiekty o dowolnej wielkości, w dowolnej odległości transmitować fotonów komórek siatkówki, możemy je zobaczyć.

„Wszystko, co wzbudza w oczy, to ilość światła, która dociera do oka - mówi Landy. - całkowita liczba fotonów. Możesz sprawić, że źródło światła jest śmiesznie mała i odległa, ale jeśli emituje fotony potężny, że go zobaczyć. "

Na przykład, konwencjonalną mądrość głosi, że możemy zobaczyć płomień świecy z odległości 48 kilometrów ciemna noc jasna. W praktyce, oczywiście, nasze oczy po prostu pływać w fotonów, więc zbłąkane promienie świetlne z daleka po prostu zgubić się w zbieraniną. „Kiedy zwiększyć intensywność tle, ilość światła, które trzeba zobaczyć coś, wzrosła” - powiedział Landy.

Nocne niebo z ciemnym tle, gwiazdorskim, jest uderzającym przykładem zakresie naszej wizji. gwiazda ogromny- wielu z tych, widzimy na nocnym niebie, zarobić miliony kilometrów średnicy. Ale nawet najbliższych gwiazd są co najmniej 24 bilionów kilometrów od nas, ale dlatego, że tak mała jak na naszych oczach, że nie może powiedzieć. A jednak widzimy je jako mocny punkt emitujący światło jak fotony przejechać kosmiczne odległości i dostać się na naszych oczach.

Wszystkie poszczególne gwiazdy, które widzimy na nocnym niebie, są w naszej Galaktyce - Drodze Mlecznej. Najbardziej odległy obiekt widzimy gołym okiem, jest poza naszą galaktyką: galaktyce Andromedy, położonej 2,5 miliona lat świetlnych od nas. (Chociaż to jest kontrowersyjne, niektóre osoby twierdzą, że widzą galaktyki Trójkąta w bardzo ciemnym nocnym niebie, ale to trzy miliony lat świetlnych od nas, tylko trzeba wziąć ich słowo).

Bilionów gwiazd w Galaktyce Andromedy, biorąc pod uwagę odległość, rozłożone w niejasnym kawałek świecącego nieba. Jednak jego wielkość jest ogromny. Pod względem pozornej wielkości, nawet będąc w trylionów kilometrów, to galaktyka jest sześć razy szersze niż Księżyc w pełni. Jednak nasze oczy do góry tak, że kilka fotonów niebiański potwór jest prawie niezauważalna.

O ile może być ostre widzenie?

Dlaczego my nie rozróżniają poszczególnych gwiazd w Galaktyce Andromedy? Granice naszego wizualnego rozdzielczości, lub ostrości wzroku, są ograniczające. Ostrość widzenia - jest zdolność do rozróżniania szczegółów, takich jak punkty lub linie, oddzielone od siebie, tak, że nie są one połączone. W ten sposób możliwe jest rozważenie ograniczenia liczby „punktów”, które możemy dostrzec.

Granice ostrości widzenia ustanowienia wielu czynników, takich jak odległość między stożkami i prętów, pakowanych w siatkówce. Również ważne jest, optyka gałki ocznej, który jak wspomniano, zapobiega wszystkie możliwe fotonów komórek światłoczułych.

Teoretycznie, badania wykazały, że najlepsze, co widzimy, to jest około 120 pikseli na stopień łuku, jednostka miary kątowej. Można to sobie wyobrazić jako czarno-biały szachownicy 60 o 60 komórki, które mieszczą się na ramieniu paznokci. „To oczywiste, że wzór można zobaczyć” - powiedział Landy.

badania przesiewowe wzroku, jak stolik z drobnym drukiem, kieruje się tymi samymi zasadami. Te granice wizualny wyjaśnić, dlaczego nie możemy odróżnić i skupić się na jednym tępym szerokości komórek biologicznych kilku mikrometrów.

Ale nie odpisuje samych kont. Mln kolorów, pojedyncze fotony, galaktyczne światy poza kvantilliony kilometrów - nie jest tak źle na bańce galaretki w naszych gniazdek podłączonych do gąbki 1,4 funta w naszych czaszkach.