Vidí oko jeden foton? Kde končí vidění při pobytu ve tmě

Kolik světla stačí, aby sis ho ve tmě všiml? Plamínek zápalky na druhém konci louky? Jedna hvězda za mrakem? Když jsme stavěli chatky pro pobyt ve tmě, řešili jsme tuhle otázku úplně prakticky. Klimatizaci jsme nechali upravit, aby nesvítila, a záložní přímotop jsme vybírali tak, aby nejiskřil. Může to vypadat jako puntičkářství. Věda ale dává puntičkářům za pravdu: oko adaptované na tmu se dostává až k hranici jednotlivých fotonů.

Dva pokusy, o kterých dnes bude řeč, mám rád, protože vysvětlují, proč nám s Lenčou v chatkách záleží na každé škvírce. Zároveň pěkně ukazují, jak opatrně je potřeba výsledky číst.

Rok 1942: kolik kvant oko potřebuje

Hecht, Shlaer a Pirenne nechali pozorovatele nejdřív přivyknout tmě a pak jim pouštěli krátké modrozelené záblesky na okraj sítnice. Hledali nejslabší záblesk, který člověk ještě uvidí.¹ Foton je nejmenší možná dávka světla, fyzici mu říkají i kvantum. Menší kousek světla prostě neexistuje.

Výsledek: na rohovku muselo dopadnout 54 až 148 kvant.¹ To zní jako hrstka, ale oko je pro světlo cesta s překážkami:

• asi 4 % světla se odrazí od rohovky, takže se do oka ani nedostanou,
• asi polovinu pohltí oko samo, ještě než světlo dorazí k sítnici,
• a z toho, co k sítnici dojde, aspoň 80 % projde skrz, aniž by ho tyčinka zachytila.

Po odečtení těch ztrát vyšlo, že tyčinky skutečně pohltí nanejvýš 5 až 14 kvant. Záblesk přitom dopadal na plochu s asi pěti sty tyčinkami, takže každé kvantum pohltila jiná tyčinka. Ze statistického rozboru vyšlo 5 až 8 „kritických událostí“, které stačí k tomu, aby člověk řekl „vidím“.¹

Z toho plyne něco krásného. Jedna tyčinka umí zareagovat na jediné kvantum světla. Aby si toho všiml člověk, musí se jich ve stejnou chvíli „ozvat“ víc. Představ si sál s pěti sty lidmi v naprostém tichu. Zatleská pět až osm z nich, každý na jiném místě, a ty to přesto poznáš.

Kde má pokus slabiny

Pozorovatelů bylo velmi málo. A metoda nepočítala s falešnými poplachy, tedy s tím, že člověk občas řekne „vidím“, i když žádný záblesk nebyl. Upozornil na to Pugh, který pokus v roce 2018 zpětně rozebral.¹ Kdo někdy hodinu seděl ve tmě a čekal na záblesk, ví, jak snadno se oku „něco zdá“.

Rok 2016: tři muži a jeden jediný foton

O sedmdesát let později to Tinsley a kolegové zkusili dotáhnout do krajnosti. Místo slabého záblesku použili kvantový zdroj, který umí poslat opravdu jednotlivé fotony.²

• Kdo: tři muži kolem dvaceti let. Ano, tři.
• Příprava: před každým sezením asi 35–40 minut adaptace na tmu, tedy zhruba ta doba, kterou oko potřebuje, aby se dostalo na maximum.
• Úkol: v každém pokusu byla dvě časová okna a foton přišel jen v jednom z nich. Pozorovatel měl říct, ve kterém, a k tomu, jak moc si je jistý.
• Kolik: 30 767 pokusů, z toho po výběru 2 420 takových, kdy opravdu přišel jeden foton.²

A výsledek? Kdyby pozorovatelé jen hádali, trefili by se v polovině případů. U jednoho fotonu se trefili s pravděpodobností 0,516 ± 0,010, tedy asi v 51,6 % případů.² Je to nad náhodou, ale jen o fous. Samotný tenhle výsledek měl p = 0,0545, takže těsně nedosáhl hranice 0,05, kterou vědci obvykle berou jako „statisticky významné“. Významný (p = 0,014) vyšel až po spojení s daty z kontrolního pokusu.²

Dvě drobnosti jsou ještě zajímavé. U odpovědí, kterými si byli pozorovatelé nejvíc jistí, stoupla správnost na 0,60 ± 0,03 (p = 0,001). A když foton přišel do 10 sekund po předchozím, správnost stoupla na 0,56. Autoři to vykládají jako krátkodobé „naladění“ zrakového systému. Jak takové naladění funguje, se zatím neví.²

Přiznám se, že mě na tom baví hlavně rozdíl mezi obalem a obsahem. Název studie zní hrdě: „Přímá detekce jediného fotonu člověkem“. Data uvnitř říkají skromněji: člověk ho asi občas zaznamená, o kousíček častěji, než kdyby hádal. To je trochu jiný příběh 🙂

Co to znamená pro pobyt ve tmě

Pro nás z obou pokusů plyne hlavně jedno: tma, která je „skoro úplná“, není úplná. Zhruba po 40 minutách ve tmě je oko na maximu citlivosti (podrobněji v článku o adaptaci oka na tmu) a pak ho vyruší i slabounká kontrolka. Proto má každá chatka předsíň, přes kterou k tobě jídlo dorazí bez jediného paprsku. A proto si uvnitř nespočítáš ani vlastní prsty. Proč jsou tyčinky tak citlivé, vysvětluje článek o rodopsinu.

A teď ta druhá strana. Hodně lidí nám po pár hodinách nebo dnech ve tmě vypráví, že vidí barvy, světélka, někdy celé obrazy. Možná tě teď napadne: „Takže nějaké fotony přece jen prosakují?“ Tím to nejspíš nebude. V chatce je tma úplná, a přesto zrakový systém nemlčí. Odkud se ty obrazy berou, rozebírám v samostatném článku obrazy a barvy ve tmě. Je to normální a nemusíš se toho bát.

A ještě jedno uklidnění pro ty, kdo se bojí, že ve tmě budou „slepí“. Nebudeš vidět jako kočka, to ti slíbit nemůžu. Ale budeš mít oči nastavené tak citlivě, jak to jen jde. Že kolem není nic k vidění, je pak úleva, ne problém. Konečně nemusíš nic sledovat.

Pokud tě zajímá, co se při delší tmě děje v mozku, který zrak zpracovává, pokračuj na stránku o zrakové deprivaci. Přehled dalších studií najdeš na stránce Výzkumy pobytu ve tmě a jak to u nás vypadá, ukazuje stránka o centru u Kutné Hory.

Na viděnou ve tmě. Teda vlastně na neviděnou.
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