Τα ανθρώπινα μάτια βλέπουν μεμονωμένα φωτόνια;

Posted on 12/06/2015

0


(νεώτερη ενημέρωση 20/7/2016)

Η ανθρώπινη όραση «αντιλαμβάνεται μεμονωμένα φωτόνια»

Νέα Υόρκη
Σε μια προσπάθεια να προσδιορίσουν το όριο της ανθρώπινης όρασης, φυσικοί στις ΗΠΑ ζήτησαν από εθελοντές να καθίσουν στο απόλυτο σκοτάδι, απέναντι από μια συσκευή που έστελνε στα μάτια τους μεμονωμένα φωτόνια. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η ανθρώπινη όραση συναγωνίζεται τους καλύτερους οπτικούς ανιχνευτές, και δεν αποκλείεται να αντιλαμβάνεται ακόμα και κβαντικά οπτικά φαινόμενα.

Επιστήμονες και φυσικοί προσπαθούν εδώ και δεκαετίες να βρουν τα όρια του ανθρώπινου ματιού. Μια σημαντική εξέλιξη ήρθε από μελέτη του 2012, η οποία έδειχνε ότι φωτοευαίσθητα κύτταρα στο μάτι του βατράχου αντιδρούν ακόμα και όταν δεχθούν ένα φωτόνιο -μια επίδοση που καθιστά τα κύτταρα αυτά ισάξια με πανάκριβους ανιχνευτές ακριβείας.

Αυτό, όμως, δεν σημαίνει ότι ένα και μόνο φωτόνιο αρκεί για να φτάσει το σήμα στον εγκέφαλο και να γίνει αντιληπτό ως λάμψη -ο αμφιβληστροειδής ουσιαστικά επεξεργάζεται και συμπιέζει τα ερεθίσματα πριν τα διαβιβάσει στον οπτικό φλοιό, οπότε το αρχικό σήμα μπορεί να χάνεται στην πορεία.

Επιπλέον, τουλάχιστον το 90% των φωτονίων που πέφτουν στο μάτι δεν φτάνει ποτέ στον αμφιβληστροειδή, αφού ανακλάται ή απορροφάται από άλλες περιοχές του ματιού όπως ο διαφανής κερατοειδής χιτώνας.

«Στο όριο της φαντασίας»

Μια νέα ένδειξη ήρθε το 2015 από μελέτη που προσέφερε ενδείξεις ότι οι άνθρωποι μπορούν να αντιλαμβάνονται, έστω και ασυναίσθητα, λάμψεις που αντιστοιχούν σε μόλις τρία φωτόνια.

Η νέα έρευνα, η οποία δημοσιεύεται στην επιθεώρηση Nature Communications [Direct detection of a single photon by humans], ακολουθεί μια παρόμοια προσέγγιση. Η ομάδα του Δρ Αλίπασα Βάζιρι στο Πανεπιστήμιο Ρόκεφελερ της Νέας Υόρκης ζήτησε από τρεις εθελοντές να καθίσουν στο σκοτάδι για 40 λεπτά μέχρι να προσαρμοστούν τα μάτια τους. Στη συνέχεια, κλήθηκαν να κοιτάξουν στην κατεύθυνση μιας πηγής που μπορεί να εκπέμπει μεμονωμένα φωτόνια.

Κάθε φορά που οι εθελοντές πατούσαν ένα κουμπί ακούγονταν δύο ήχοι με διαφορά ενός δευτερολέπτου. Κάποιες φορές δεν συνέβαινε τίποτα, κάποιες άλλες ο ένας από τους δύο ήχους συνοδευόταν από εκπομπή ενός φωτονίου. Σε κάθε περίπτωση, οι εθελοντές έπρεπε να αναφέρουν αν είδαν κάτι, καθώς και πόσο σίγουροι αισθάνονταν για το αν το είδαν.

Οι τρεις εθελοντές υποβλήθηκαν σε συνολικά 2.400 δοκιμές, αριθμός αρκετά μεγάλος για να εξαχθεί ασφαλές στατιστικό αποτέλεσμα, λένε οι ερευνητές.

Η ανάλυση των απαντήσεων έδειξε ότι οι συμμετέχοντες της μελέτης έδιναν τη σωστή απάντηση πιο συχνά από ό,τι θα περίμενε κανείς αν απαντούσαν απλά στην τύχη. Επιπλέον, το επίπεδο σιγουριάς που ανέφεραν ήταν υψηλότερο όταν οι απαντήσεις τους ήταν σωστές.

Αυτό σημαίνει ότι ο εγκέφαλος δέχεται οπτικά ερεθίσματα που αντιστοιχούν ακόμα και σε ένα φωτόνιο. Τα ερεθίσματα αυτά, όμως, δεν γίνονται αντιληπτά από τη συνείδηση.

«Το εντυπωσιακό είναι ότι δεν μοιάζει με το να βλέπεις φως» σχολιάζει στο δικτυακό τόπο του Nature ο Δρ Βάζιρι, ο οποίος υποβλήθηκε και ο ίδιος στη δοκιμή.[Experiment suggests that humans are capable of perceiving even the feeblest flash of light]

«Είναι σχεδόν σαν αίσθημα στο όριο της φαντασίας» λέει.

Ο ερευνητής σκοπεύει τώρα να συνεχίσει τα πειράματα για να ερευνήσει το κατά πόσο η ανθρώπινη όραση αντιλαμβάνεται κβαντικά οπτικά φαινόμενα.

Το βασικότερο τέτοιο φαινόμενο είναι η υπέρθεση, μια αλλόκοτη κατάσταση στην οποία ένα φωτόνιο μπορεί να βρίσκεται σε δύο μέρη ταυτόχρονα.

Μια στάνταρτ παραδοχή στα πειράματα κβαντικής φυσικής είναι ότι τα φωτόνια που βρίσκονται σε υπέρθεση δύο καταστάσεων τελικά διαλέγουν μία από τις δύο καταστάσεις τη στιγμή που πέφτουν σε έναν ανιχνευτή.

Αυτό θα σήμαινε ότι το φωτόνιο θα γινόταν αντιληπτό ως ένα μεμονωμένο φωτεινό σημείο, και όχι ως δύο ταυτόχρονες λάμψεις.

Υπάρχουν όμως και φυσικοί που υποψιάζονται ότι η υπέρθεση μπορεί να γίνεται αντιληπτή, οπότε οι λάμψεις θα ήταν δύο.

Περαιτέρω μελέτες ίσως δώσουν απάντηση στο ερώτημα, η οποία θα είχε μεγάλη σημασία για τους βιολόγους, τους φυσικούς, ακόμα και τους φιλοσόφους.

Βαγγέλης Πρατικάκης – http://news.in.gr/science-technology/article/?aid=1500091381

========================================

Τα ανθρώπινα μάτια «ίσως βλέπουν μεμονωμένα φωτόνια»

12/06/2015
Σικάγο, Ίλινοϊ
Τα ανθρώπινα  μάτια μπορούν να βλέπουν λάμψεις αποτελούμενες από μόλις τρία φωτόνια, αναφέρουν κβαντικοί φυσικοί στις ΗΠΑ. Πιστεύουν μάλιστα ότι η όραση μπορεί να είναι ακόμα πιο ευαίσθητη, και δεν αποκλείεται να καταγράφει τα αλλόκοτα κβαντικά φαινόμενα του φωτός.

Η όραση στο σκοτάδι επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες όπως η ανατομία του ματιού. Εργαστηριακά πειράματα έχουν δείξει ωστόσο ότι τα φωτοευαίσθητα κύτταρα του αμφιβληστροειδή είναι άκρως ευαίσθητοι ανιχνευτές φωτονίων.

Τα ραβδία, τα κύτταρα που ευθύνονται για την περιφερική και νυχτερινή όραση, είναι πιο ευαίσθητα στο φως από τα κωνία, κύτταρα που αναλαμβάνουν την κεντρική όραση και προσφέρουν έγχρωμη εικόνα.

Σύμφωνα με μελέτη του 2012, απομονωμένα κωνία βατράχου αντιδρούν ακόμα και σε μεμονωμένα φωτόνια, μια επίδοση που καθιστά τα κύτταρα αυτά ισάξια με πανάκριβους ανιχνευτές ακριβείας.

Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι το ένα και μόνο φωτόνιο αρκεί για να φτάσει το σήμα στον εγκέφαλο και να γίνει αντιληπτό ως λάμψη, αφού ο αμφιβληστροειδής ουσιαστικά επεξεργάζεται και συμπιέζει το σήμα πριν το διαβιβάσει στον οπτικό φλοιό.

Επιπλέον, τουλάχιστον το 90% των φωτονίων που πέφτουν στο μάτι δεν φτάνει ποτέ στον αμφιβληστροειδή, αφού ανακλάται ή απορροφάται από άλλες περιοχές του ματιού όπως ο διαφανής κερατοειδής χιτώνας.

Προηγούμενες μελέτες έχουν εκτιμήσει το απόλυτο όριο της ανθρώπινης όρασης στα δύο με επτά φωτόνια, επισημαίνει στο δικτυακό τόπο του Nature η επικεφαλής της νέας μελέτης, η Ρεμπέκα Χολμς του Πανεπιστημίου του Ίλινοϊ στο Ουρμπάνα-Σαμπέιν.

Όπως ανέφερε η ομάδα της στο συνέδριο της Αμερικανικής Εταιρείας Φυσικής, τα πειράματα σε έναν σκοτεινό θάλαμο έδειξαν ότι το μάτι δεν αποκλείεται να αντιλαμβάνεται ως λάμψεις ακόμα και τρία φωτόνια.

Το σημαντικό στη νέα έρευνα είναι ότι χρησιμοποιεί εξοπλισμό από εργαστήρια κβαντικής οπτικής ο οποίος μπορεί να μετρά τα φωτόνια σε παλμούς φωτός λέιζερ.

Οι εθελοντές της μελέτης κάθισαν σε ένα σκοτεινό δωμάτιο και κλήθηκαν να κρατήσουν εστιασμένο το βλέμμα σε έναν στόχο όση ώρα οι ερευνητές έστελναν παλμούς φωτός απευθείας στα μάτια τους.

Οι εθελοντές δεν ρωτήθηκαν αν έβλεπαν κάθε λάμψη, αφού κάτι τέτοιο θα απέκλειε τα σήματα που είχαν φτάσει στον εγκέφαλο χωρίς να γίνουν αντιληπτά ως λάμψεις. Αν΄αυτού, έπρεπε να δηλώσουν αν κάθε λάμψη εμφανιζόταν στα δεξιά ή στα αριστερά του στόχου, ακόμα κι αν δεν είχαν δει τίποτα.

«Το έχω κάνει κι εγώ η ίδια πολλές φορές» λέει η Χολμς. «Μπορείς να μείνεις στο σκοτάδι για μια ώρα και μετά να πεις «Δεν είμαι σίγουρη ότι είδα κάτι»» περιγράφει.

Πράγματι, πολλές λάμψεις έδειξαν να γίνονται αντιληπτές αλλά μόνο ασυνείδητα. Ακόμα και όταν οι παλμοί αποτελούνταν από μόλις 30 φωτόνια, οι εθελοντές «μάντευαν» τη θέση των λάμψεων σε περισσότερο από το 50% των περιπτώσεων, πιο συχνά από ό,τι θα περίμενε κανείς αν απλώς μάντευαν στην τύχη.

Δεδομένου ότι μόνο το 10% των 30 φωτονίων πρέπει να έφτασε μέχρι τον αμφιβληστροειδή, το συμπέρασμα είναι ότι τα μάτια πιθανώς βλέπουν λάμψεις αποτελούμενες από μόλις τρία φωτόνια.

Η ομάδα της Χολμς συνεχίζει τώρα τα πειράματα για να δει αν η ανθρώπινη όραση αντιλαμβάνεται ακόμα και μεμονωμένα φωτόνια.

Περαιτέρω μελέτες θα μπορούσαν να δείξουν το εάν το μάτι αντιλαμβάνεται ακόμα και κβαντικά φαινόμενα όπως η υπέρθεση, δηλαδή η παρουσία του ίδιου φωτονίου σε πολλά σημεία ταυτόχρονα.

Τα φαινόμενα αυτά γίνονται συνήθως αντιληπτά μόνο σε μικροσκοπικές διαστάσεις, και παραμένει ασαφές το εάν μπορούν να καταγραφούν από μακροσκοπικές δομές όπως ο αμφιβληστροειδής, τα μάτια και ο εγκέφαλος.

Ο νομπελίστας φυσικός Άντονι Λέτζετ, θεωρητικός φυσικός στο ίδιο πανεπιστήμιο με τη Χολμς και εμπνευστής του έργου της, εκτιμά ότι τα κβαντικά φαινόμενα πρέπει να εξαφανίζονται σε κάποια κλίμακα ανάμεσα στα άτομα και το ανθρώπινο σώμα.

Δεν γνωρίζει όμως σε ποια κλίμακα, ούτε τι θα μπορούσε να δει το μάτι σε περίπτωση που αντιλαμβανόταν την υπέρθεση ενός μεμονωμένου φωτονίου.

Μια στάνταρτ παραδοχή στα πειράματα κβαντικής φυσικής είναι πάντως ότι τα φωτόνια που βρίσκονται σε υπέρθεση δύο καταστάσεων τελικά διαλέγουν μία από τις δύο καταστάσεις τη στιγμή που πέφτουν στον ανιχνευτή.

Σε αυτή την περίπτωση, το φωτόνιο θα γινόταν αντιληπτό ως ένα μεμονωμένο φωτεινό σημείο, και όχι ως δύο ταυτόχρονες λάμψεις.

 Βαγγέλης Πρατικάκης – news.in.gr – www.nature.com

Ετικέτα: ,