Μπορεί να ανιχνεύσει ένα φωτόνιο μόνο το μάτι μας;

Απάντηση σε ερώτηση που θέτουν τα παιδιά 30-Μαρτίου-2001

Το ανθρώπινο μάτι είναι βέβαια ένα πολύ ευαίσθητο όργανο, αλλά είναι δυνατόν ν' αντιληφθεί ένα μόνο φωτόνιο;

Η απάντηση είναι ότι οι αισθητήρες στον αμφιβληστροειδή διεγείρονται και με ένα μόνο φωτόνιο. Παρόλα αυτά όμως τα νευρικά φίλτρα επιτρέπουν σ' ένα οπτικό σήμα να περάσει προς τον εγκέφαλο και να προκαλέσει μια συνειδητή απόκριση, όταν τουλάχιστον 5 έως 9 φωτόνια φτάσουν μέσα σε χρόνο μικρότερο από 100ms. Αν μπορούσαμε να δούμε μεμονωμένα φωτόνια θα αισθανόμαστε πάρα πολύ οπτικό θόρυβο σε πολύ μικρή ένταση φωτός. Έτσι λοιπόν το φίλτρο αυτό αποτελεί μάλλον μια προστασία παρά μια αδυναμία μας.

Μερικοί άνθρωποι ισχυρίζονται ότι μπορούμε να δούμε και τα μεμονωμένα φωτόνια και επικαλούνται το γεγονός ότι οι αμυδρές λάμψεις πχ από ραδιενεργά υλικά μπορεί να είναι ορατές. Αυτό όμως το επιχείρημα δεν είναι σωστό. Τέτοιες λάμψεις παράγουν ένα μεγάλο αριθμό φωτονίων. Όπως επίσης δεν είναι δυνατόν να εκτιμήσουμε την ευαισθησία της όρασης από την ικανότητα των ερασιτεχνών αστρονόμων να διακρίνουν αμυδρά αστέρια με γυμνό μάτι. Η ικανότητα αυτή περιορίζεται από το φως του υποβάθρου πριν το μάτι φθάσει τα αντιληπτικά του όρια.

Για να ελέγξουμε την ανθρώπινη οπτική ευαισθησία πρέπει να εκτελεστεί ένα πιο προσεκτικό πείραμα. Ο ανθρώπινος αμφιβληστροειδής που βρίσκεται στο πίσω μέρος του ματιού μας, φέρει δύο τύπους οπτκών υποδοχέων που είναι γνωστοί ως κωνία και ραβδία αντίστοιχα. Τα κωνία είναι υπεύθυνα για την έγχρωμη όραση αλλά είναι πολύ λιγότερο ευαίσθητα στη χαμηλή ένταση φωτός από τα ραβδία. Στο φως αρκετής έντασης τα κωνία ενεργοποιούνται και η ίριδα κλείνει. Το φαινόμενο αυτό λέγεται φωτοτροπική όραση.

Όταν μπούμε σ' ένα σκοτεινό δωμάτιο τα μάτια μας πρώτα προσαρμόζονται με άνοιγμα της ίριδας ώστε να εισέρχεται περισσότερο φως. Για μια χρονική περίοδο περίπου 30 λεπτών γίνονται άλλες χημικές προσαρμογές που ενεργοποιούν τα ραβδία και τα κάνουν ευαίσθητα σε φως έντασης 1/10.000 της έντασης που χρειάζονται τα κωνία για να διεγερθούν. Μετά από αυτό το χρονικό διάστημα βλέπουμε πολύ καλύτερα στο σκοτάδι αλλά έχουμε αρκετά άσχημη έγχρωμη όραση. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως σκοτοτροπική όραση. Η δραστική ουσία στα ραβδία είναι η ροδοψίνη. Ακόμη και ένα μόνο φωτόνιο μπορεί ν' απορροφηθεί από ένα μόριο ροδοψίνης το οποίο αλλάζει σχήμα και προκαλεί χημικά ένα σήμα το οποίο μεταβιβάζεται στο οπτικό νεύρο.

Η βιταμίνη Α επίσης παίζει το ρόλο ως κέντρο απορρόφησης φωτός. Σύμπτωμα της έλλειψης της βιταμίνης Α είναι η τύφλωση στο σκοτάδι εξαιτίας της αποτυχίας σκοτοτροπικής όρασης. Είναι δυνατόν να ελέγξουμε την ευαισθησία της όρασής μας με τη χρήση πηγής φωτός πολύ χαμηλής έντασης σ' ένα σκοτεινό δωμάτιο. Το πείραμα εκτελέστηκε για πρώτη φορά επιτυχώς από τους Hecht,Schlaer και Pirene το 1942. Το συμπέρασμά τους ήταν ότι τα ραβδία μπορούν ν' αποκριθούν και σε ένα μόνο φωτόνιο κατά τη διάρκεια της σκοτοτροπικής όρασης.

Στο πείραμά τους επέτρεψαν σε κάποια άτομα υποκείμενα του πειράματος να έχουν 30 λεπτά προσαρμογής στο σκοτάδι. Τοποθέτησαν μια ελεγχόμενη φωτεινή πηγή 20 μοίρες αριστερά από το σημείο προσήλωσης των ματιών των παρατηρητών κατά τρόπο ώστε το φως να πέφτει στην περιοχή του αμφιβληστροειδούς με την υψηλότερη συγκέντρωση σε ραβδία. Η πηγή φωτός ήταν ένας δίσκος που η διάμετρός του εκτεινόταν σε γωνία 10 μοιρών και εξέπεμπε μια αμυδρή αναλαμπή διάρκειας ενός ms ώστε να αποφευχθεί η υπερβολική χωρική ή χρονική διασπορά του φωτός. Το μήκος κύματος που χρησιμοποιήθηκε ήταν περίπου 510nm (πράσινο φως). Ζητήθηκε από τα υποκείμενα του πειράματος να απαντήσουν με ένα "ΝΑΙ" ή μ' ένα "ΟΧΙ" για να πουν αν νομίζου ότι είδαν μια λάμψη. Το φως ελλαττωνόταν προοδευτικά σε ένταση μέχρι που τα υποκείμενα μπορούσαν μόνο να μαντέψουν την απάντηση. Διαπίστωσαν λοιπόν ότι 90 περίπου φωτόνια ήσαν αναγκαία να εισέλθουν στο μάτι για να σημειωθούν 60% επιτυχίες στις απαντήσεις.

Επειδή από τα φωτόνια που εισέρχονται στο μάτι μόνο ένα 10% φτάνει στον αμφιβληστροειδή, αυτό σημαίνει ότι 9 περίπου φωτόνια ήσαν πραγματικά απαραίτητα στους υποδοχείς. Επειδή τα φωτόνια μπορούσαν να διασκορπιστούν σε μια περιοχή με 350 ραβδία, μπόρεσαν να συμπεράνουν στατιστικά ότι τα ραβδία μπορούν να αποκρίνονται και σε μεμονωμένα φωτόνια, ακόμη και όταν τα υποκείμενα δεν ήσαν σε θέση να τα δουν όταν τα φωτόνια κατεύθαναν με τυχαίους ρυθμούς. Το 1979 οι Baylor, Lamb και Yau μπόρεσαν να χρησιμοποιήσουν ραβδία από βατράχους συνδεδεμένα με ηλεκτρόδια για να δείξουn απευθείας ότι μπορούν να αποκρίνονται και σε απλά φωτόνια.