Чувствительность рецепторов сетчатки и зрительных нейронов позволяет замечать и осознавать свет отдельных фотонов. Эту способность впервые продемонстрировали эксперименты, результаты которых опубликованы в журнале Nature Communications.

Учебники анатомии привычно пишут о способности человеческого глаза различать единичные фотоны, однако все немного сложнее. Чувствительности фоторецепторов нашей сетчатки, действительно, достаточно для того, чтобы срабатывать под действием одного-единственного фотона. Однако чтобы по-настоящему увидеть этот свет, рецептор должен возбудить соответствующий нейрон, сигнал должен достичь зрительных центров мозга, а затем – и сознания.

Еще несколько десятилетий назад было показано, что 5–7 фотонов увидеть вполне возможно (Hecht et al. Energy, quanta and vision. J. Opt. Soc. Am. 38, 196–208, 1942). Но вопрос о том, может ли один-единственный фотон активировать всю эту цепочку, оставался открытым до сих пор.

«Насколько нам известно, наши эксперименты дают первое свидетельство непосредственного восприятия единичного фотона, – пишут Алипаша Вазири (Alipasha Vaziri) и его коллеги из венского Исследовательского института молекулярной патологии. – Предыдущие попытки решить этот вопрос наталкивались на нехватку подходящих технологий, недостаточную статистику при минимальном числе фотонов, и неидеальные психофизиологические процедуры».

Гистологический образец сетчатки человеческого глаза. Bryan Jones / Flickr

Команде Вазири удалось сконструировать квантовое оптическое устройство, испускающее отдельные фотоны. Подопытных помещали в темную комнату, в наглухо изолированную от света камеру. После срабатывания источника фотонов им предлагалось ответить, заметили ли они соответствующую вспышку света, или нет, и насколько уверены они в своем ответе (по шкале от одного до трех). В общей сложности было произведено более 30 тыс. попыток, включая почти 2,5 тыс. испусканий фотонов. Заметить его подопытным удавалось слегка, но достоверно чаще, чем при полностью случайном разбросе ответов: в 51,6 проценте случаев.

Как правило, они не были достаточно уверенны в выбранном варианте, но если оценивали эту уверенность на три балла из трех, то число вероятность верного ответа достигала уже примерно 60 процентов. Интересно, что наблюдение единичного фотона заметно повышало шансы заметить следующий – до 56 процентов. Этот эффект ученые отмечали в течение примерно 10 секунд после регистрации первого фотона. Возможно, это наблюдение стимулирует дополнительную адаптацию глаза к условиям экстремально слабого освещения.

Автор: Роман Фишман