Η ανθρώπινη όραση «αντιλαμβάνεται μεμονωμένα φωτόνια». The Human Eye Can Detect a Single Photon, Study Finds

Salvador Dali, L'Angélus de Gala, detail, 1935. Συναγωνίζεται τους καλύτερους οπτικούς ανιχνευτές και δεν αποκλείεται να αντιλαμβάνεται κβαντικά οπτικά φαινόμενα. Despite investigations for over 70 years, the absolute limits of human vision have remained unclear. Rod cells respond to individual photons, yet whether a single-photon incident on the eye can be perceived by a human subject has remained a fundamental open question. Here we report that humans can detect a single-photon incident on the cornea with a probability significantly above chance. This was achieved by implementing a combination of a psychophysics procedure with a quantum light source that can generate single-photon states of light. We further discover that the probability of reporting a single photon is modulated by the presence of an earlier photon, suggesting a priming process that temporarily enhances the effective gain of the visual system on the timescale of seconds.

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»

Salvador Dali, L'Oeil, The Eye, 1945. Μεμονωμένα φωτόνια δημιουργούν λάμψεις «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, ακολουθεί μια παρόμοια προσέγγιση. Η ομάδα του δρος 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.  «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.

Η υπέρθεση

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 μεγάλο ερώτημα, η οποία θα είχε μεγάλη σημασία για τους βιολόγους, τους φυσικούς, ακόμα και τους φιλοσόφους.