На яку відстань може бачити людське око. Як далеко може бачити око людини? Наскільки гострим може бути зір

Вивчення найдальших галактик може показати нам об'єкти, розташовані за мільярди світлових років від нас, але навіть з ідеальною технологією просторовий проміжок між найдальшою галактикою та Великим вибухом залишатиметься величезним.

Вдивляючись у Всесвіт, бачимо світло скрізь, всіх відстанях, куди тільки здатні зазирнути наші телескопи. Але в якийсь момент ми натрапимо на обмеження. Одне з них накладається космічною структурою, що формується у Всесвіті: ми можемо бачити лише зірки, галактики та інше, тільки якщо вони випромінюють світло. Без цього наші телескопи нічого не спроможні розглянути. Інше обмеження при використанні видів астрономії, що не обмежуються світлом, - це обмеження того, яка частина Всесвіту доступна для нас з моменту Великого вибуху. Дві ці величини можуть не бути пов'язаними один з одним, і саме з цієї теми нам запитує наш читач:

Чому червоне зміщення реліктового випромінювання знаходиться в межах 1000, хоча найбільше червоне усунення будь-якої галактики з тих, що ми бачили, дорівнює 11?

Весь набір того, що ми знаємо, бачимо, спостерігаємо і з чим взаємодіємо, називають «спостерігається Всесвітом». За межами нього, швидше за все, знаходиться ще більше ділянок Всесвіту, і згодом ми матимемо можливість бачити все більше і більше цих ділянок, коли світло від віддалених об'єктів, нарешті, досягне нас після космічної подорожі в мільярди років. Ми можемо бачити те, що бачимо (і більше, а не менше) завдяки комбінації з трьох факторів:

• З часу Великого вибуху минуло кінцеву кількість часу, 13,8 млрд років.


• Швидкість світла, максимальна швидкість для будь-якого сигналу або частки, що пересувається Всесвітом, кінцева і постійна.


• Сама тканина простору розтягується та розширюється з моменту Великого вибуху.

Те, що нам видно сьогодні, є результатом роботи трьох цих факторів, спільно з початковим розподілом матерії та енергії, які працюють за законами фізики протягом усієї історії Всесвіту. Якщо ми хочемо дізнатися, яким був Всесвіт у будь-який ранній момент часу, нам треба лише поспостерігати, яким він став сьогодні, виміряти всі пов'язані з цим параметри, і підрахувати, яким він був у минулому. Для цього нам знадобиться багато спостережень і вимірів, але рівняння Ейнштейна, нехай і такі важкі, принаймні недвозначні. Результати, що виводяться, виливаються в два рівняння, відомі, як рівняння Фрідмана, і з завданням їх вирішення кожен студент, який вивчає космологію, стикається безпосередньо. Але ми, чесно кажучи, зуміли провести кілька дивовижних вимірів параметрів Всесвіту.

Дивлячись у напрямку північного полюса Галактики Чумацький Шлях, ми можемо заглядати у глибини космосу. На цьому зображенні розмічено сотні тисяч галактик, і кожен його піксель – це окрема галактика.

Ми знаємо з якою швидкістю вона розширюється сьогодні. Ми знаємо, якою є щільність матерії в будь-якому напрямку, в якому ми дивимося. Ми знаємо, скільки структур формується на всіх масштабах, від кульових скупчень до карликових галактик, від великих галактик до їхніх груп, скупчень і великомасштабних ниткоподібних структур. Ми знаємо, скільки у Всесвіті нормальної матерії, темної матерії, темної енергії, а також дрібніших складових, таких, як нейтрино, випромінювання, і навіть чорні дірки. І тільки виходячи з цієї інформації, екстраполюючи назад у часі, ми можемо обчислити як розмір Всесвіту, так і швидкість його розширення у будь-який момент його космічної історії.

Логарифмічний графік залежності розміру Всесвіту, що спостерігається.

Сьогодні наш оглядовий Всесвіт простягається на приблизно 46,1 млрд світлових років у всіх напрямках на наш погляд. На такій відстані знаходиться точка старту уявної частки, яка вирушила в дорогу в момент Великого вибуху, і, мандруючи зі швидкістю світла, прибула б до нас сьогодні, через 13,8 млрд років. У принципі, на цій відстані були породжені всі гравітаційні хвилі, що залишилися від космічної інфляції - стану, що передував Великому вибуху, настроїв Всесвіт і забезпечив усі початкові умови.

Гравітаційні хвилі, створені космічною інфляцією - це найстаріший сигнал із усіх, які людство в принципі могло б засікти. Вони народилися наприкінці космічної інфляції та на початку гарячого Великого вибуху.

Але у Всесвіті залишилися й інші сигнали. Коли їй було 380 тисяч років, залишкове випромінювання від Великого вибуху припинило розсіюватися з вільних заряджених частинок, оскільки ті утворили нейтральні атоми. І ці фотони, після утворення атомів, продовжують відчувати червоне зміщення разом із розширенням Всесвіту, і їх можна побачити сьогодні за допомогою мікрохвильової або радіоантени/телескопа. Але через велику швидкість розширення Всесвіту на ранніх етапах, «поверхня», яка «світиться» для нас цим залишковим світлом – космічний мікрохвильовий фон – знаходиться всього в 45,2 млрд світлових років від нас. Відстань від початку Всесвіту до того місця, де Всесвіт знаходився через 380 000 років, виходить рівним 900 млн світлових років!

Холодні флуктуації (сині) у реліктовому випромінюванні не холодніше самі собою, а просто представляють ділянки з посиленим гравітаційним тяжінням через збільшену щільність матерії. Гарячі (червоні) ділянки гарячі, тому що випромінювання в цих регіонах живе в менш глибокій гравітаційній криниці. З часом більш щільні регіони з більшою ймовірністю зростуть у зірки, галактики та скупчення, а менш щільні зроблять це з меншою ймовірністю.

Пройде ще чимало часу, перш ніж ми знайдемо найвіддаленішу з усіх відкритих нами галактик Всесвіту. Хоча симуляції та розрахунки показують, що перші зірки могли сформуватися через 50-100 млн років від початку Всесвіту, а перші галактики - через 200 млн років, так далеко назад ми ще не заглядали (хоча, є надія, що після запуску наступного року космічного телескопа імені Джеймса Вебба ми зможемо це зробити!). На сьогодні космічним рекордом володіє галактика, показана нижче, що існувала, коли Всесвіту було 400 млн. років - це всього 3% від поточного віку. Однак ця галактика, GN-z11, розташована всього в 32 млрд світлових років від нас: це близько 14 млрд світлових років від «краю» Всесвіту, що спостерігається.

Найвіддаленіша з усіх виявлених галактик: GN-z11, фото зі спостереження GOODS-N, проведеного телескопом Хаббл.

Причина цього полягає в тому, що спочатку швидкість розширення згодом дуже швидко падала. До часу, коли галактика Gz-11 існувала у вигляді, що ми спостерігаємо, Всесвіт розширювався в 20 разів швидше, ніж сьогодні. Коли було випущено реліктове випромінювання, Всесвіт розширювався у 20 000 разів швидше, ніж сьогодні. На момент Великого вибуху, наскільки ми знаємо, Всесвіт розширювався в 10 36 разів швидше, або в 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 разів швидше, ніж сьогодні. Згодом швидкість розширення Всесвіту сильно зменшилася.

І для нас це дуже добре! Баланс між первинною швидкістю розширення та загальною кількістю енергії у Всесвіті у всіх її формах ідеально дотримується, аж до похибки наших спостережень. Якби у Всесвіті було хоч трохи більше матерії чи випромінювання на ранніх етапах, він би зхлопнувся назад мільярди років тому, і нас би не було. Якби у Всесвіті було занадто мало матерії чи випромінювання на ранніх етапах, він би розширився так швидко, що частки не змогли б зустрітися один з одним, щоб навіть сформувати атоми, не кажучи вже про складніші структури типу галактик, зірок, планет і людей . Космічна історія, яку розповідає нам Всесвіт, це історія надзвичайної збалансованості, завдяки якій ми й існуємо.

Складний баланс між швидкістю розширення і загальною щільністю Всесвіту настільки крихкий, що навіть відхилення в 0,00000000001% в будь-який бік зробило б Всесвіт абсолютно безлюдним для будь-якого життя, зірок або навіть планет у будь-який момент часу.

Якщо вірні найкращі з наших сучасних теорій, то перші справжні галактики мали сформуватися віком від 120 до 210 млн років. Це відповідає відстані від нас до них у 35-37 млрд світлових років, і відстані від найдальшої галактики до краю Всесвіту, що спостерігається, в 9-11 млрд світлових років на сьогодні. Це надзвичайно далеко, і говорить про один дивовижний факт: Всесвіт надзвичайно швидко розширювався на ранніх етапах, а сьогодні розширюється набагато повільніше. 1% віку Всесвіту відповідає за 20% її загального розширення!

Історія Всесвіту сповнена фантастичних подій, але відколи закінчилася інфляція і стався Великий вибух, швидкість розширення стрімко падала, і сповільнюється, поки щільність продовжує зменшуватися.

Розширення Всесвіту розтягує довжину хвилі світла (і відповідає за видиме нами червоне зміщення), і за велику відстань між мікрохвильовим фоном та найдальшою галактикою відповідає велика швидкість цього розширення. Але розмір Всесвіту сьогодні свідчить ще про щось дивне: про неймовірні ефекти, що відбувалися з часом. З часом Всесвіт продовжить розширюватися все більше і більше, і до того часу, коли його вік удесятеро перевищуватиме сьогоднішній, відстані збільшаться так сильно, що нам уже не будуть видно жодні галактики за винятком членів нашої місцевої групи, навіть із телескопом, еквівалентним Хаблу. Насолоджуйтесь усім тим, що видно сьогодні, великою різноманітністю того, що є на всіх космічних масштабах. Воно не існуватиме вічно!

Розповідає про дивовижні властивості нашого зору - від здатності бачити далекі галактики до можливості вловлювати невидимі, начебто, світлові хвилі.

Окиньте поглядом кімнату, де перебуваєте – що ви бачите? Стіни, вікна, різнокольорові предмети - все це здається таким звичним і само собою зрозумілим. Легко забути про те, що ми бачимо навколишній світ лише завдяки фотонам - світловим частинкам, що відбиваються від об'єктів і потрапляють на сітківку ока.

У сітківці кожного з наших очей розташовано приблизно 126 млн. світлочутливих клітин. Мозок розшифровує отриману від цих клітин інформацію про напрям і енергії фотонів, що потрапляють на них, і перетворює її на різноманітність форм, кольорів та інтенсивності освітлення навколишніх предметів.

У людського зору є межі. Так, ми не здатні ні побачити радіохвилі, що випромінюються електронними пристроями, ні розглянути неозброєним оком найдрібніші бактерії.

Завдяки прогресу у сфері фізики та біології можна визначити межі природного зору. "У будь-яких видимих ​​нами об'єктів є певний "поріг", нижче за який ми перестаємо їх розрізняти", - говорить Майкл Ленді, професор психології та нейробіології в Нью-Йоркському університеті.

Спершу розглянемо цей поріг з погляду нашої здатності розрізняти кольори - мабуть, найпершої здібності, яка спадає на думку стосовно зору.

Наша здатність відрізняти, наприклад, фіолетовий колір від пурпурового, пов'язана з довжиною хвилі фотонів, що потрапляють на сітківку ока. У сітківці є два типи світлочутливих клітин - палички та колбочки. Колбочки відповідають за сприйняття кольору (так званий денний зір), а палички дозволяють нам бачити відтінки сірого кольору при низькому освітленні - наприклад, вночі (нічний зір).

У людському оці є три види колб і відповідне їм число типів опсинів, кожен з яких відрізняється особливою чутливістю до фотонів з певним діапазоном довжин світлових хвиль.

Колбочки S-типу чутливі до фіолетово-синьої короткохвильової частини видимого спектру; колбочки M-типу відповідають за зелено-жовту (середньохвильову), а колбочки L-типу - за жовто-червону (довгохвильову).

Всі ці хвилі, а також їх комбінації дозволяють нам бачити повний діапазон кольорів веселки. "Всі джерела видимого людиною світла, за винятком низки штучних (таких, як заломлююча призма або лазер), випромінюють суміш хвиль різної довжини", - каже Ленді.

Зі всіх існуючих у природі фотонів наші колбочки здатні фіксувати лише ті, які характеризуються довжиною хвиль у дуже вузькому діапазоні (як правило, від 380 до 720 нанометрів) – це називається спектром видимого випромінювання. Нижче за цей діапазон знаходяться інфрачервоний і радіоспектри – довжина хвиль низькоенергетичних фотонів останнього варіюється від міліметрів до кількох кілометрів.

З іншого боку видимого діапазону хвиль розташований ультрафіолетовий спектр, за яким слідує рентгенівський, а потім - спектр гамма-випромінювання з фотонами, довжина хвиль яких не перевищує трильйонні частки метра.

Хоча зір більшості з нас обмежений видимим спектром, люди з афакією – відсутністю в оці кришталика (внаслідок хірургічної операції при катаракті або, рідше, внаслідок вродженого дефекту) – здатні бачити ультрафіолетові хвилі.

У здоровому оці кришталик блокує хвилі ультрафіолетового діапазону, але за його відсутності людина здатна сприймати хвилі завдовжки приблизно до 300 нанометрів як біло-блакитний колір.

У дослідженні 2014 р. наголошується, що у якомусь сенсі ми всі можемо бачити й інфрачервоні фотони. Якщо два таких фотона практично одночасно потраплять на ту саму клітину сітківки, їх енергія може підсумовуватися, перетворивши невидимі хвилі завдовжки, скажімо, в 1000 нанометрів у видиму хвилю завдовжки 500 нанометрів (більшість з нас сприймає хвилі цієї довжини як холодний зелений колір). .

Скільки кольорів ми бачимо?

В оці здорової людини три типи колб, кожен з яких здатний розрізняти близько 100 різних колірних відтінків. З цієї причини більшість дослідників оцінює кількість кольорів, що розрізняються нами, приблизно в мільйон. Однак сприйняття кольору дуже суб'єктивне та індивідуальне.

Джемесон знає, що говорить. Вона вивчає зір тетрахроматів – людей, які мають воістину надлюдські здібності до розрізнення кольорів. Тетрахроматія зустрічається рідко, здебільшого у жінок. В результаті генетичної мутації у них є додатковий, четвертий вид колб, що дозволяє їм, за грубими підрахунками, бачити до 100 млн кольорів. (У людей, які страждають на колірну сліпоту, або дихроматів, всього два типи колб - вони розрізняють не більше 10 000 кольорів.)

Скільки нам потрібно фотонів, щоб побачити джерело світла?

Як правило, колбочки для оптимального функціонування потрібно набагато більше світла, ніж паличкам. Тому при низькому освітленні наша здатність розрізняти кольори падає, а за роботу приймаються палички, що забезпечують чорно-білий зір.

В ідеальних лабораторних умовах на тих ділянках сітківки, де палички здебільшого відсутні, колбочки можуть активуватися при попаданні на них лише кілька фотонів. Однак палички справляються із завданням реєстрації навіть самого тьмяного світла ще краще.

Як показують експерименти, вперше проведені в 1940-х рр., одного кванта світла достатньо для того, щоб наше око його побачило. "Людина здатна побачити один-єдиний фотон, - каже Браян Уонделл, професор психології та електротехніки в Стенфордському університеті. - У більшій чутливості сітківки просто немає сенсу".

У 1941 р. дослідники з Колумбійського університету провели експеримент - піддослідних заводили в темну кімнату і давали очам певний час на адаптацію. Для досягнення повної чутливості паличкам потрібно кілька хвилин; саме тому, коли ми вимикаємо у приміщенні світло, то на якийсь час втрачаємо здатність щось бачити.

Потім в обличчя випробуваним спрямовували миготливе синьо-зелене світло. Імовірніше вище звичайної випадковості учасники експерименту реєстрували спалах світла при попаданні на сітківку всього 54 фотонів.

Не всі фотони, що досягають сітківки, реєструються світлочутливими клітинами. Враховуючи цю обставину, вчені дійшли висновку, що всього п'ятьох фотонів, які активують п'ять різних паличок у сітківці, достатньо, щоб людина побачила спалах.

Найменший і найвіддаленіший видимі об'єкти

Наступний факт може вас здивувати: наша здатність побачити об'єкт залежить зовсім не від його фізичних розмірів або видалення, а від того, чи потраплять хоча б кілька фотонів, що випромінюються ним, на нашу сітківку.

"Єдине, що потрібно оку, щоб щось побачити, - це певна кількість світла, випромінюваного або відбитого на нього об'єктом, - говорить Ленді. - Все зводиться до фотонів, що досягли сітківки. Яким би мініатюрним не було джерело світла, нехай навіть він проіснує частки секунди, ми все одно здатні його побачити, якщо він випромінює достатню кількість фотонів.

У підручниках з психології часто зустрічається твердження про те, що у безхмарну темну ніч полум'я свічки можна помітити з відстані до 48 км. Насправді ж наша сітківка постійно бомбардується фотонами, так що один-єдиний квант світла, випромінюваний з великої відстані, просто загубиться на їхньому фоні.

Щоб уявити, наскільки далеко ми здатні бачити, поглянемо на нічне небо, засіяне зірками. Розміри зірок величезні; багато хто з тих, що ми спостерігаємо неозброєним поглядом, досягають мільйонів км у діаметрі.

Однак навіть найближчі до нас зірки розташовані на відстані понад 38 трильйонів кілометрів від Землі, тому їх видимі розміри настільки малі, що наше око не здатне їх розрізнити.

З іншого боку, ми все одно спостерігаємо зірки у вигляді яскравих точкових джерел світла, оскільки фотони, що їх випромінюють, долають гігантські відстані, що розділяють нас, і потрапляють на нашу сітківку.

Всі окремі видимі зірки на нічному небосхилі знаходяться в нашій галактиці – Чумацькому Шляху. Найвіддаленіший від нас об'єкт, який людина в змозі розглянути неозброєним оком, розташований за межами Чумацького Шляху і сам є зоряним скупченням – це Туманність Андромеди, що знаходиться на відстані 2,5 млн світлових років, або 37 квінтильйонів км, від Сонця. (Деякі люди стверджують, що особливо темними ночами гострий зір дозволяє їм побачити Галактику Трикутника, розташовану на видаленні близько 3 млн. світлових років, але нехай це твердження залишиться на їх совісті.)

Туманність Андромеди налічує один трильйон зірок. Через велику віддаленість всі ці світила зливаються для нас в ледь помітну плямку світла. При цьому розміри Туманності Андромеди є колосальними. Навіть на такій гігантській відстані її кутовий розмір у шість разів перевищує діаметр повного Місяця. Однак до нас долітає настільки мало фотонів із цієї галактики, що вона ледь помітна на нічному небі.

Межа гостроти зору

Чому ж ми не здатні розглянути окремі зірки у Туманності Андромеди? Справа в тому, що у роздільної здатності, або гостроти зору є свої обмеження. (Під гостротою зору мається на увазі здатність розрізняти такі елементи, як точка або лінія, як окремі об'єкти, що не зливаються із сусідніми об'єктами або з тлом.)

Фактично гостроту зору можна описувати так само, як і дозвіл комп'ютерного монітора - в мінімальному розмірі пікселів, які ми здатні розрізняти як окремі точки.

Обмеження гостроти зору залежать від кількох факторів – таких як відстань між окремими колбочками та паличками сітківки ока. Не менш важливу роль відіграють і оптичні характеристики очного яблука, через які далеко не кожен фотон потрапляє на світлочутливу клітину.

Теоретично, як показують дослідження, гострота нашого зору обмежується здатністю розрізняти близько 120 пікселів на кутовий градус (одиницю кутового виміру).

Практичною ілюстрацією меж гостроти людського зору може бути розташований на відстані витягнутої руки об'єкт площею з ніготь, з нанесеними на ньому 60 горизонтальними та 60 вертикальними лініями поперемінно білого та чорного кольорів, що утворюють подібність до шахової дошки. "Мабуть, це найдрібніший малюнок, який ще може розрізнити людське око", - каже Ленді.

У цьому принципі засновані таблиці, використовувані окулістами перевірки гостроти зору. Найбільш відома в Росії таблиця Сівцева є рядами чорних великих букв на білому тлі, розмір шрифту яких з кожним рядом стає все менше.

Гострота зору людини визначається за тим, на якому розмірі шрифту він перестає чітко бачити контури літер і починає їх плутати.

Саме межею гостроти зору пояснюється те що, що ми здатні розглянути неозброєним оком біологічну клітину, розміри якої становлять лише кілька мікрометрів.

Але не варто сумувати з цього приводу. Здатність розрізняти мільйон кольорів, вловлювати одиночні фотони і бачити галактики на видаленні в кілька квінтильйонів кілометрів - дуже непоганий результат, якщо врахувати, що наш зір забезпечується парою желеподібних кульок в очницях, з'єднаних з півторакілограмової масою пористої в черепній коробці.

Поверхня Землі згинається і зникає з поля видимості з відривом 5 кілометрів. Але гострота нашого зору дозволяє бачити далеко за обрій. Якби Земля була плоскою, або якщо ви стояли на вершині гори і дивилися на набагато більшу ділянку планети, ніж зазвичай, ви змогли б побачити яскраві вогні на відстані сотень кілометрів. У темну ніч вам удалося б навіть побачити полум'я свічки, що знаходиться за 48 кілометрів від вас.

Наскільки далеко може бачити людське око залежить від того, скільки частинок світла, або фотонів, випромінює віддалений об'єкт. Найдальшим об'єктом, видимим неозброєним оком, є Туманність Андромеди, розташована на величезній відстані 2,6 мільйона світлових років від Землі. Один трильйон зірок цієї галактики випускає загалом достатньо світла для того, щоб кілька тисяч фотонів щосекунди стикалися з кожним квадратним сантиметром земної поверхні. У темну ніч цієї кількості достатньо для активізації сітківки ока.

У 1941 році фахівець з питань зору Селіг Гехт зі своїми колегами з Колумбійського університету зробив те, що досі вважається надійним засобом вимірювання абсолютного порога зору – мінімальної кількості фотонів, які мають потрапити до сітківки, щоб спричинити усвідомлення візуального сприйняття. Експеримент встановлював поріг в ідеальних умовах: очам учасників давали час, щоб повністю звикнути до абсолютної темряви, синьо-зелений спалах світла, що діє як подразник, мав довжину хвилі 510 нанометрів (до якої очі найбільш чутливі), і світло було спрямоване на периферичний край сітківки , заповнений клітинами, що розпізнають світло, паличками.

За даними вчених, для того, щоб учасники експерименту змогли розпізнати такий спалах світла більш ніж у половині випадків, у очні яблука мало потрапити від 54 до 148 фотонів. На підставі вимірювань ретинальної абсорбції вчені підрахували, що в середньому 10 фотонів насправді всмоктуються паличками сітківки людини. Таким чином, абсорбція 5-14 фотонів або відповідно активація 5-14 паличок вказує мозку, що ви щось бачите.

«Це справді дуже мала кількість хімічних реакцій», - зазначили Гехт та його колеги у статті про цей експеримент.

Беручи до уваги абсолютний поріг, яскравість полум'я свічки і розрахункову відстань, на якій об'єкт, що світиться, тьмяніє, вчені дійшли висновку, що людина може розрізнити слабке мерехтіння полум'я свічки на відстані 48 кілометрів.

Об'єкти завбільшки з людини помітні як протяжні лише близько 3 кілометрів. У порівнянні на такій відстані ми змогли б чітко розрізнити дві фари автомобіля. Але на якій відстані ми можемо розпізнати, що об'єкт є чимось більшим, ніж просто мерехтіння світла? Щоб об'єкт здавався просторово протяжним, а не точковим, світло від нього має активувати не менше двох суміжних колб сітківки - клітин, що відповідають за кольоровий зір. В ідеальних умовах об'єкт повинен лежати під кутом щонайменше 1 аркмінута, або одна шоста градуса, щоб порушити суміжні колбочки. Ця кутова міра залишається однією і тією ж незалежно від того, близько чи далеко знаходиться об'єкт (віддалений об'єкт повинен бути набагато більшим, щоб перебувати під тим самим кутом, що й ближній). Повний Місяць лежить під кутом 30 аркминут, тоді як Венера ледь помітна як протяжний об'єкт під кутом близько 1 акрмінути.

Від спостереження далеких галактик за світлові роки від нас до сприйняття невидимих ​​кольорів, Адам Хедхейзі на ВВС пояснює, чому ваші очі можуть робити неймовірні речі. Подивіться навколо. Що ви бачите? Всі ці кольори, стіни, вікна, все здається очевидним, начебто так і має бути тут. Думка про те, що ми все це бачимо завдяки часткам світла – фотонам – які відскакують від цих об'єктів та потрапляють нам у вічі, здається неймовірною.

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

Наш чудовий зір, очевидно, має низку обмежень. Ми не можемо бачити радіохвилі від наших електронних пристроїв, не можемо розглянути бактерій під носом. Але із 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", - каже Майкл Ленді, професор неврології Нью-Йоркського університету.

Почнемо розглядати ці візуальні пороги крізь призму – вибачте за каламбур – що багато хто асоціює із зором у 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 та колбочки. Колбочки відповідають за колір, а палички дозволяють нам бачити відтінки сірого в умовах низького освітлення, наприклад, уночі. Опсини, або пігментні молекули, в клітинах сітківки поглинають електромагнітну енергію фотонів, що падають, генеруючи електричний імпульс. Цей сигнал йде через зоровий нерв до мозку, де і народжується свідоме сприйняття кольорів та зображень.

У нас є три типи колб і відповідних опсинів, кожен з яких чутливий до фотонів певної довжини хвилі. Ці колбочки позначаються літерами S, M та L (короткі, середні та довгі хвилі відповідно). Короткі хвилі ми сприймаємо синіми, довгі – червоними. Довжини хвиль між ними та їх комбінації перетворюються на повну веселку. «Весь світло, яке ми бачимо, крім створеного штучно за допомогою призм або хитромудрих пристроїв на кшталт лазерів, є сумішшю різних довжин хвиль, - каже Ленді».

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

Над нашим видимим спектром, на більш високих енергіях та коротких довжинах хвиль, ми знаходимо ультрафіолетовий спектр, потім рентгенівські промені та на вершині – гамма-променевий спектр, довжини хвиль якого досягають одного трильйонного метра.

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

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

Здорове людське око має три типи колб, кожен з яких може розрізняти близько 100 різних колірних відтінків, тому більшість дослідників сходяться на думці, що наші очі загалом 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, – каже Кімберлі Джеймісон, науковий співробітник Каліфорнійського університету в Ірвіні. – Те, що бачить одна людина, може бути лише частиною кольорів, які бачить інша людина».

Джеймісон знає, про що говорить, оскільки працює з «тетрахроматами» - людьми, які мають «надлюдський» зір. Ці рідкісні індивіди, в основному жінки, мають генетичну мутацію, яка подарувала їм додаткові четверті колбочки. Грубо кажучи, завдяки четвертому набору колб, тетрахромати можуть розглянути 100 мільйонів кольорів. (Люди з колірною сліпотою, дихромати, мають лише два види колб і бачать приблизно 10 000 кольорів).

Скільки мінімум фотонів потрібно бачити?

Для того щоб кольоровий зір працював, колбочкам, як правило, потрібно набагато більше світла, ніж їхнім колегам-паличкам. Тому в умовах низького освітлення колір "гасне", оскільки на передній план виходять монохроматичні палички.

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

1941 року дослідники Колумбійського університету посадили людей у ​​темну кімнату і дали їх очам пристосуватися. Паличкам знадобилося кілька хвилин, щоб досягти повної чутливості - ось чому у нас виникають проблеми із зором, коли раптово гасне світло.

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

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

Яка межа найдрібнішого і найдальшого, що ми можемо побачити?

Цей факт може вас здивувати: немає жодного внутрішнього обмеження найдрібнішої чи 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 око, це кількість світла, яка потрапляє на око, – каже Ленді. - Загальна кількість фотонів. Ви можете зробити джерело світла до смішного малим та віддаленим, але якщо воно випромінює потужні фотони, ви його побачите».

Наприклад, поширена думка свідчить, що чорної ясної ночі ми можемо розглянути вогник свічки з відстані 48 км. На практиці, звичайно, наші очі просто купатимуться у фотонах, тому блукаючи кванти світла з великих відстаней просто загубляться в цій мішанині. "Коли ви збільшуєте інтенсивність фону, кількість світла, яке вам необхідно, щоб щось розглянути, збільшується", - каже Ленді.

Нічне небо з темним фоном, усеяним зірками, є вражаючим прикладом дальності нашого зору. Зірки величезні; багато хто з тих, що ми бачимо в нічному небі, становлять мільйони кілометрів у діаметрі. Але навіть найближчі зірки знаходяться щонайменше за 24 трильйони кілометрів від нас, а тому настільки малі для нашого ока, що їх не розбереш. І все ж таки ми їх бачимо як потужні випромінюючі точки світла, оскільки фотони перетинають космічні відстані і потрапляють у наші очі.

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

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

Наскільки гострим може бути зір?

Чому ми не розрізняємо окремих зірок у 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 зливались докупи. Отже, вважатимуться межі зору числом «крапок», які ми можемо розрізнити.

Кордони гостроти зору встановлюють кілька факторів, наприклад, відстані між колбочками та паличками, упакованими у сітківці. Також важливою є оптика самого очного яблука, яке, як ми вже говорили, запобігає проникненню всіх можливих фотонів до світлочутливих клітин.

Теоретично, як показали дослідження, найкраще, що ми можемо розглянути, це приблизно 120 пікселів на градус дуги, одиницю кутового виміру. Можете уявити це як чорно-білу шахівницю 60 на 60 клітин, яка вміщається на нігті витягнутої руки. "Це найчіткіший патерн, який ви можете розглянути", - каже Ленді.

Перевірка зору, на кшталт таблиці з дрібними літерами, керується тими самими принципами. Ці межі гостроти пояснюють, чому ми можемо розрізнити і зосередитися однією тьмяною біологічної клітині шириною кілька мікрометрів.

Але не списуйте себе з рахунків. Мільйон квітів, одиночні фотони, галактичні світи за квантільйони кілометрів від нас - не так вже й погано для бульбашки желе в наших очницях, підключених до 1,4-кілограмової губки в черепах.