Экспериментаторы установили, что палочки сетчатки глаза способны реагировать на одиночные фотоны, даже если испытуемый не видит этих фотонов.
Можно ли увидеть один фотон?
Can a Human See a Single Photon?
Philip Gibbs
Глаз человека имеет очень хорошую чувствительность, но способны ли мы увидеть один фотон? Ответ - да. Чувствительные клетки сетчатки могут реагировать на одиночные фотоны. Однако нейронный фильтр передаёт мозгу сигнал, который мы можем осознать, только если в течение 100мс получено примерно 5-9 фотонов. Ограничение чувствительности – это не дефект зрения, а необходимая адаптация. Если бы мы видели каждый фотон, то в темноте было бы слишком много визуального шума.
Некоторые считают, что один фотон всё же можно увидеть, и приводят тот факт, что можно увидеть слабые вспышки, например, от радиоактивных веществ. Это не доказательство - такие вспышки производятся большим числом фотонов. Астрономы любители думают, что чувствительность зрения можно определить по самым слабым звёздам, видимым невооружённым глазом. Это тоже неверно. Видимость звёзд ограничена фоновым светом неба, а не чувствительностью зрения. Чтобы измерить чувствительность зрения, нужен более аккуратный эксперимент.
Сетчатка глаза человека имеет два типа рецепторов – колбочки и палочки . Колбочки отвечают за цветное зрение, но они гораздо менее чувствительны к слабому свету, чем палочки. При ярком свете колбочки активны, а зрачок сужен. Этот режим зрения называется фотопическим или колбочковым зрением . Когда мы входим в тёмное помещение, сначала глаза адаптируются путём расширения зрачка, чтобы получить больше света. В течение следующих 30 минут происходит химическая адаптация, которая увеличивает чувствительность палочек к свету до величины примерно в 10000 раз больше, чем у колбочек. После этого мы видим в темноте гораздо лучше, но очень плохо различаем цвета. Это зрение называется скотопическим или палочковым .
Активное вещество палочек – светопоглощающий пигмент родопсин. Единственный фотон может быть поглощён одной молекулой родопсина, которая изменяет форму и химически запускает сигнал, передаваемый в глазной нерв. Витамин А-альдегид тоже является светопоглощающим пигментом. Один из симптомов дефицита витамина А состоит в ночной слепоте из-за ухудшения скотопического зрения.
Можно измерить чувствительность зрения при помощи очень слабого источника света в тёмной комнате. Такой эксперимент впервые успешно выполнили Хехт, Шлер и Пирен (S. Hecht, S. Schlaer, M.H. Pirenne) в 1942 году. Они установили, что при скотопическом зрении палочки могут реагировать на одиночные фотоны.
В этом эксперименте испытуемые сначала 30 минут привыкали к темноте. Источник слабого света размещали на 20 градусов левее точки фиксации взгляда. При таком размещении свет попадает в область сетчатки, где плотность палочек максимальна. Источник света представлял собой диск размером 10 угловых минут. Он излучал слабые вспышки зелёного света (510нм) продолжительностью 1 миллисекунда. Испытуемые должны были ответить"да" или "нет" на вопрос "заметили ли они вспышку". Интенсивность света постепенно уменьшали до тех пор, пока испытуемые не начинали отвечать, пытаясь "угадать" ответ.
Оказалось, что для получения 60% правильных ответов требуется, чтобы в глаз попадало примерно 90 фотонов. Из всех фотонов, попадающих в глаз, только 10% достигают сетчатки. Поэтому для восприятия света нужно примерно 9 фотонов. Изображение источника света на сетчатке покрывало примерно 350 палочек. Таким образом, экспериментаторы статистически установили, что палочка способна реагировать на одиночные фотоны, даже если испытуемый не видит этих фотонов, так как они попадают на сетчатку слишком редко.
В 1979 году Бэйлор, Лэмб и Яу (D.A.Baylor, T.D.Lamb, K.W.Yau) подключили к электродам палочки сетчатки лягушки. Так в прямом эксперименте было показано, что палочки реагируют на одиночные фотоны.
Philip Gibbs , 1996
Перевод Е.Корниенко