ДА. На самом деле, фотоны – это единственное, что люди могут видеть непосредственно. Фотон – это частичка света. Человеческие глаза специально предназначены для обнаружения света.
Это происходит, когда фотон попадает в глаз и поглощается одной из палочек или колбочек, которые покрывают сетчатку на внутренней задней поверхности глаза.
Когда вы смотрите на стул, вы на самом деле видите не стул. Вы видите кучу фотонов, которые отразились от стула.
В процессе отражения от стула эти фотоны выстраиваются в узор, напоминающий стул. Когда фотоны попадают на сетчатку, колбочковые и палочковидные клетки улавливают этот узор и отправляют его в ваш мозг.
Таким образом, ваш мозг думает, что смотрит на стул, в то время как на самом деле он смотрит на кучу фотонов, расположенных в виде рисунка стула.
Ваши глаза могут видеть пучки фотонов, но могут ли они видеть один изолированный фотон? Каждая палочковидная клетка в вашем глазу действительно способна обнаружить один изолированный фотон.
Однако нейронная сеть вашего глаза передает сигнал в мозг только в том случае, если в соседних палочковидных клетках примерно одновременно обнаруживается несколько фотонов.
Таким образом, даже если ваш глаз способен обнаружить один изолированный фотон, ваш мозг не способен его воспринять.
Если бы это было возможно, изолированный фотон выглядел бы просто как короткая яркая вспышка в одной точке.
Мы знаем это, потому что чувствительный датчик камеры действительно способен обнаружить и обработать изолированный фотон, а фотон выглядит просто как короткая яркая вспышка в одной точке.
Фотон обладает несколькими свойствами, и каждое из этих свойств несет информацию об источнике, создавшем фотон, или о последнем объекте, который взаимодействовал с фотоном.
Основными свойствами фотона, которые несут информацию, являются цвет (то есть частота), спин (то есть поляризация), местоположение, направление распространения и фаза волны.
Существует также множество других свойств фотона; таких как энергия, длина волны, импульс и волновое число; но все они зависят от частоты и, следовательно, не несут никакой дополнительной информации.
Кроме того, когда присутствует много фотонов, информация может передаваться по количеству фотонов (т. е. по яркости).
Когда группа фотонов отражается от стула, фотоны формируют паттерны цвета, вращения, местоположения, направления, фазы волны и яркости, которые содержат информацию о стуле.
При наличии соответствующих инструментов каждый из этих паттернов может быть проанализирован, чтобы получить информацию о стуле.
Человеческий глаз предназначен для определения цвета, местоположения, направления и яркости группы фотонов, но не спиновой или волновой фазы.
Информация о цвете обнаруживается в глазу с помощью трех различных типов колбочек, каждая из которых обладает разным диапазоном чувствительности к цвету.
Один из типов имеет диапазон чувствительности, сосредоточенный на красном, другой тип имеет диапазон, сосредоточенный на зеленом, а третий тип имеет диапазон, сосредоточенный на синем.
Глаз может видеть почти все цвета в видимом спектре, сравнивая относительную активацию этих трех различных типов колбочек.
Например, когда вы смотрите на желтый тюльпан, желтые фотоны попадают в ваш глаз и попадают в красные, зеленые и синие колбочки. желтые фотоны активируют только красные и зеленые колбочки, а ваш мозг интерпретирует красный плюс зеленый как желтый.
В отличие от колбочек, существует только один тип стержневых ячеек, и поэтому стержневые ячейки могут определять только яркость, но не цвет. Стержневые ячейки в основном используются в условиях низкой освещенности.
Информация о местоположении обнаруживается в глазу благодаря распределению колбочек и палочек в разных местах сетчатки. Разные фотоны, существующие в разных местах, запускают работу разных клеток.
Таким образом, пространственная картина расположения фотонов напрямую определяется сетчаткой. Обратите внимание, что фотоны могут исходить со многих разных направлений и размываться вместе.
По этой причине в глазу спереди есть набор линз, которые фокусируют только свет на определенную ячейку, исходящий из одной точки рассматриваемого объекта.
Хрусталик играет важную роль в извлечении информации о местоположении рассматриваемого объекта из информации о местоположении фотонов на сетчатке.
Если хрусталик неисправен, расположение фотонов на сетчатке больше не соответствует точному расположению точек на рассматриваемом объекте, и изображение получается размытым.
Обратите внимание, что оптическая система человека может непосредственно отображать только два измерения информации о местоположении фотона.
Информация о третьем измерении извлекается людьми косвенно с помощью различных визуальных приемов (называемых “сигналами глубины”), основным из которых является использование двух глаз, слегка смещенных друг от друга.
Информация о направлении обнаруживается людьми лишь грубо, поскольку мозг отслеживает, в какую сторону направлены глаза, и заставляет глаза смотреть на объект под разными углами.
Например, в комнате, где одна стена выкрашена в красный цвет, а противоположная стена выкрашена в синий, красные фотоны от стены вылетают в одном направлении, а синие фотоны от другой стены вылетают в противоположном направлении.
В определенном месте комнаты пучок фотонов в этом месте включает красные и синие фотоны, движущиеся в противоположных направлениях.
Однако человек может определить, что красный и синий фотоны движутся в разных направлениях (и, следовательно, определить, что красная и синяя стены находятся в разных местах), только поворачивая голову и анализируя два разных вида, в то время как его мозг отслеживает ориентацию головы.
Информация о яркости извлекается непосредственно сетчаткой путем измерения того, сколько фотонов попадает в определенную область сетчатки за определенный промежуток времени. Как стержневые, так и колбочковые ячейки могут собирать информацию о яркости.
Поскольку человеческий глаз в конечном счете видит только фотоны, машина, генерирующая свет, может создать впечатление присутствия физического объекта, воссоздав правильные структуры фотонов, которые исходили бы от объекта, если бы он действительно присутствовал.
Например, мы можем создать видимость присутствия стула, если создадим коллекцию фотонов с теми же шаблонами, что и коллекция фотонов, которая присутствует, когда стул действительно есть. Именно это делают экраны компьютерных дисплеев.
Камера фиксирует закономерности в фотонах, исходящих от кресла, и сохраняет информацию в виде разрядов электричества.
Затем экран компьютера использует эту информацию для воссоздания коллекции фотонов, и вы видите изображение стула.
Однако стандартные компьютерные экраны могут указывать только цвет, яркость и двумерное расположение создаваемых ими фотонов. В результате изображение физического объекта на экране компьютера получается двумерным и не совсем реалистичным.
Существует множество уловок, которые используются, чтобы попытаться донести до людей информацию о третьем измерении, включая поляризационные очки, используемые в 3D-кинотеатрах, и линзовидные линзы, используемые на обложках некоторых книг.
Однако такие системы обычно не совсем реалистичны, потому что они фактически не воссоздают полное трехмерное фотонное поле.
Это означает, что такие “3D” изображения объектов можно рассматривать только под одним углом и они не совсем убедительны.
Некоторые люди считают, что из-за того, что такие “3D” системы используют визуальные трюки, а не полное трехмерное фотонное поле, эти системы вызывают у них головную боль и тошноту.
Голографический проектор, напротив, гораздо ближе подходит к воссозданию полного трехмерного фотонного поля, исходящего от объекта.
В результате голограмма выглядит намного реалистичнее и ее можно рассматривать под разными углами, совсем как реальный объект.
Однако настоящие голограммы в настоящее время не способны эффективно воспроизводить информацию о цвете.
Обратите внимание, что многие изображения с точной цветопередачей, которые, как утверждается, являются голограммами, на самом деле являются плоскими изображениями с добавлением хитростей, придающих им несколько трехмерный вид.
Полностью реалистичное фотонное воспроизведение физического объекта будет невозможно до тех пор, пока голограммы не смогут точно воссоздавать информацию о цвете.
Два свойства фотонов, которые не видны человеческому глазу, – это спин (то есть поляризация) и фаза волны.
Обратите внимание, что при правильных условиях некоторые люди могут определить общее состояние поляризации всего светового луча; но ни один невооруженный человеческий глаз не может непосредственно увидеть картину поляризации.
Просматривая вращающиеся поляризационные фильтры, которые преобразуют информацию о поляризации в информацию об интенсивности цвета, подготовленный человек может научиться косвенно видеть картину поляризации фотонов, исходящих от объекта.
Примером этого является метод фотоупругости, который позволяет людям видеть механические напряжения в определенных объектах.
В отличие от людей, некоторые животные, такие как медоносные пчелы и осьминоги, действительно могут непосредственно видеть картину поляризации совокупности фотонов.
Например, медоносные пчелы могут видеть естественную картину поляризации, существующую в дневном небе, и использовать ее для ориентирования.
Фаза волны фотона также не может быть обнаружена непосредственно человеком, но может быть обнаружена машинами, называемыми интерферометрами.
Информация о фазе часто используется для определения плоскостности отражающей поверхности.
Подводя итог, люди действительно могут видеть фотоны. Люди могут видеть все свойства фотонов, за исключением спина и фазы волны.
Поскольку фотоны движутся по схеме, продиктованной источником, который их создал, или последним объектом, с которым фотоны взаимодействовали, мы обычно вообще не осознаем, что смотрим на фотоны.
Скорее, мы думаем, что смотрим на физические объекты, которые создают и рассеивают фотоны.
Теперь, возможно, вы хотели спросить: “Смогут ли люди когда-нибудь увидеть фотон так же, как мы видим стул?”
Опять же, мы можем видеть стул, потому что фотоны отражаются от него определенным образом, характерным для стула, и попадают в наши глаза.
Чтобы увидеть фотон так же, как вы видите стул, вам нужно, чтобы от одного фотона, который вы пытаетесь “увидеть”, отскочила куча фотонов, а затем эта куча попала в ваш глаз.
Однако фотоны никогда напрямую не отскакивают друг от друга, так что это никогда не сработает.
Даже если бы фотоны могли отскакивать друг от друга, вы бы не увидели ничего особенного в этой настройке. Вы все равно увидите вспышку света в какой-то момент, когда небольшой пучок фотонов ударит в вашу сетчатку.
Когда вы думаете, что видите световой луч, находящийся в космосе, например, исходящий от фонарика, на самом деле вы видите частицы пыли на пути луча из-за того, что фотоны отражаются от частиц пыли.
