Vidí oko jeden fotón? Kde končí videnie pri pobyte v tme

Koľko svetla stačí, aby si si ho v tme všimol? Plamienok zápalky na druhom konci lúky? Jedna hviezda za mrakom? Keď sme stavali chatky na pobyt v tme, riešili sme túto otázku úplne prakticky. Klimatizáciu sme dali upraviť, aby nesvietila, a záložné elektrické kúrenie sme vyberali tak, aby neiskrilo. Môže to vyzerať ako puntičkárstvo. Veda však dáva puntičkárom za pravdu: oko adaptované na tmu sa dostáva až k hranici jednotlivých fotónov.

Dva pokusy, o ktorých bude dnes reč, mám rád, pretože vysvetľujú, prečo nám s Lenčou v chatkách záleží na každej štrbinke. Zároveň sú to pekné ukážky toho, ako opatrne treba výsledky čítať.

Rok 1942: koľko kvánt oko potrebuje

Hecht, Shlaer a Pirenne púšťali pozorovateľom, ktorí boli predtým adaptovaní na tmu, krátke modrozelené záblesky na okraj sietnice. Hľadali najslabší záblesk, ktorý človek ešte uvidí.¹ Fotón je najmenšia možná dávka svetla, fyzici mu hovoria aj kvantum. Menší kúsok svetla jednoducho neexistuje.

Výsledok: na rohovku muselo dopadnúť 54 až 148 kvánt.¹ To znie ako hŕstka, ale oko je pre svetlo cesta s prekážkami:

• asi 4 % svetla sa odrazia od rohovky, takže sa do oka ani nedostanú,
• asi polovicu pohltí oko samo, ešte predtým, ako svetlo dorazí k sietnici,
• a z toho, čo k sietnici dôjde, aspoň 80 % prejde naskrz bez toho, aby ho tyčinka zachytila.

Po odpočítaní týchto strát vyšla horná hranica 5 až 14 kvánt, ktoré skutočne pohltia tyčinky. Záblesk pritom dopadal na plochu s asi piatimi stovkami tyčiniek, takže každé kvantum pohltila iná tyčinka. Zo štatistického rozboru vyšlo 5 až 8 „kritických udalostí“, ktoré stačia na to, aby človek povedal „vidím“.¹

Z toho vyplýva niečo krásne. Jedna tyčinka dokáže zareagovať na jediné kvantum svetla. Aby si to človek všimol, musí sa ich v tej istej chvíli „ozvať“ niekoľko. Predstav si sálu s piatimi stovkami ľudí v úplnom tichu. Zatlieska päť až osem z nich, každý na inom mieste, a ty to napriek tomu začuješ.

Kde má pokus slabiny

Pozorovateľov bolo veľmi málo. A metóda nepočítala s falošnými poplachmi, teda s tým, že človek občas povie „vidím“, aj keď žiadny záblesk nebol. Na to upozorňuje neskorší historický rozbor pokusu od Pugha z roku 2018.¹ Kto niekedy hodinu sedel v tme a čakal na záblesk, vie, ako ľahko sa oku „niečo zdá“.

Rok 2016: traja muži a jeden jediný fotón

O sedemdesiat rokov neskôr to Tinsley a kolegovia skúsili dotiahnuť do krajnosti. Namiesto slabého záblesku použili kvantový zdroj, ktorý dokáže poslať naozaj jednotlivé fotóny.²

• Kto: traja muži okolo dvadsiatky. Áno, traja.
• Príprava: pred každým sedením asi 35–40 minút adaptácie na tmu, teda zhruba čas, ktorý oko potrebuje, aby sa dostalo na maximum.
• Úloha: v každom pokuse boli dve časové okná a fotón prišiel len v jednom z nich. Pozorovateľ mal povedať, v ktorom, a ako veľmi si je istý.
• Koľko: 30 767 pokusov, z toho po výbere 2 420 takých, pri ktorých prišiel skutočne jeden fotón.²

A výsledok? Keby pozorovatelia len hádali, trafili by sa v polovici prípadov. Pri jednom fotóne sa trafili s pravdepodobnosťou 0,516 ± 0,010, teda asi v 51,6 % prípadov.² Je to nad náhodou, ale len o chlp. Samotný tento výsledok mal p = 0,0545, takže tesne nedosiahol hranicu 0,05, ktorú vedci zvyčajne považujú za hranicu „štatistickej významnosti“. Významný (p = 0,014) vyšiel až po spojení s dátami z kontrolného pokusu.²

Dve drobnosti sú ešte zaujímavé. Pri odpovediach, v ktorých si boli pozorovatelia najviac istí, stúpla správnosť na 0,60 ± 0,03 (p = 0,001). A keď fotón prišiel do 10 sekúnd po predchádzajúcom, správnosť stúpla na 0,56. Autori to vykladajú ako krátkodobé „naladenie“ zrakového systému. Ako také naladenie funguje, zatiaľ nikto nevie.²

Priznám sa, že ma na tom baví hlavne rozdiel medzi obalom a obsahom. Názov štúdie znie hrdo: Priama detekcia jediného fotónu človekom. Dáta vnútri hovoria skromnejšie: človek ho asi občas zaznamená, o kúsok častejšie, než keby hádal. To je trochu iný príbeh 🙂

Čo to znamená pre pobyt v tme

Pre nás z oboch pokusov vyplýva hlavne jedno: tma, ktorá je „skoro úplná“, nie je úplná. Zhruba po 40 minútach v tme je oko na maxime citlivosti (podrobnejšie v článku o adaptácii oka na tmu) a potom ho vyruší aj slabučká kontrolka. Preto má každá chatka predsieň ako svetelnú komoru na jedlo a preto si vnútri nespočítaš ani vlastné prsty. Prečo sú tyčinky také citlivé, vysvetľuje článok o rodopsíne.

A teraz tá druhá strana. Veľa ľudí nám po pár hodinách alebo dňoch v tme rozpráva, že vidia farby, svetielka, niekedy celé obrazy. Možno ti teraz napadne: „Takže nejaké fotóny predsa len presakujú?“ Tým to asi nebude. V chatke je tma úplná a zrakový systém napriek tomu nemlčí. Odkiaľ sa tie obrazy berú, rozoberám v samostatnom článku Obrazy a farby v tme. Je to normálne a nemusíš sa toho báť.

A ešte jedno upokojenie pre tých, čo sa boja, že v tme budú „slepí“. Nebudeš vidieť ako mačka, to ti sľúbiť nemôžem. Ale budeš mať oči nastavené tak citlivo, ako sa len dá. To, že naokolo nie je nič na pozeranie, je potom úľava, nie problém. Konečne nemusíš nič sledovať.

Ak ťa zaujíma, čo sa pri dlhšej tme deje v mozgu, ktorý zrak spracúva, pokračuj na stránku o zrakovej deprivácii. Prehľad ďalších štúdií nájdeš na stránke Výskumy pobytu v tme a ako to u nás vyzerá, ukazuje stránka o centre pri Kutnej Hore.

Dovidenia v tme. Teda vlastne donevidenia.
Tomáš

Zdroje

1. Hecht S, Shlaer S, Pirenne MH (1942). Energy, quanta, and vision. Journal of General Physiology. doi:10.1085/jgp.25.6.819
2. Tinsley JN, Molodtsov MI, Prevedel R, et al. (2016). Direct detection of a single photon by humans. Nature Communications. doi:10.1038/ncomms12172