ينحني سطح الأرض ويختفي عن الأنظار على مسافة 5 كيلومترات. لكن حدة البصر لدينا تسمح لنا برؤية ما هو أبعد من الأفق. لو كانت الأرض مسطحة، أو إذا وقفت على قمة جبل ونظرت إلى مساحة أكبر بكثير من الكوكب من المعتاد، فسوف تتمكن من رؤية الأضواء الساطعة على بعد مئات الكيلومترات. وفي ليلة مظلمة، يمكنك رؤية شعلة شمعة تقع على بعد 48 كيلومترًا.
يعتمد المدى الذي يمكن للعين البشرية رؤيته على عدد جزيئات الضوء، أو الفوتونات، المنبعثة من جسم بعيد. أبعد جسم يمكن رؤيته بالعين المجردة هو سديم المرأة المسلسلة، الذي يقع على مسافة هائلة تبلغ 2.6 مليون سنة ضوئية من الأرض. تبعث تريليون نجم في المجرة ما يكفي من الضوء في المجمل لتسبب عدة آلاف من الفوتونات في ضرب كل سنتيمتر مربع من سطح الأرض في كل ثانية. وفي الليلة المظلمة، هذه الكمية كافية لتنشيط شبكية العين.
في عام 1941، قام عالم الرؤية سيليج هيشت وزملاؤه في جامعة كولومبيا بعمل ما يعتبر حتى الآن مقياسًا موثوقًا للعتبة البصرية المطلقة، وهو الحد الأدنى لعدد الفوتونات التي يجب أن تصل إلى شبكية العين لإنتاج الوعي البصري. حددت التجربة العتبة في ظل ظروف مثالية: مُنحت أعين المشاركين وقتًا للتكيف تمامًا مع الظلام المطلق، وكان وميض الضوء الأزرق والأخضر الذي يعمل كمحفز يبلغ طوله الموجي 510 نانومتر (وهو ما تكون العيون أكثر حساسية له). وتم توجيه الضوء إلى الحافة الطرفية للشبكية، مملوءة بخلايا قضيبية حساسة للضوء.
وفقًا للعلماء، لكي يتمكن المشاركون في التجربة من التعرف على وميض الضوء هذا في أكثر من نصف الحالات، كان من الضروري ضرب مقل العيون من 54 إلى 148 فوتونًا. واستنادا إلى قياسات امتصاص الشبكية، يقدر العلماء أن قضبان شبكية العين البشرية تمتص في المتوسط 10 فوتونات. وبالتالي، فإن امتصاص 5-14 فوتونًا أو، على التوالي، تنشيط 5-14 قضيبًا يشير إلى الدماغ أنك ترى شيئًا ما.
"هذا في الواقع عدد صغير جدًا من التفاعلات الكيميائية"، كما أشار هيشت وزملاؤه في ورقة بحثية حول التجربة.
ومع الأخذ في الاعتبار العتبة المطلقة، وسطوع لهب الشمعة، والمسافة المقدرة التي يخفت عندها الجسم المضيء، خلص العلماء إلى أن الشخص يمكنه تمييز الوميض الخافت للهب الشمعة على مسافة 48 كيلومترا.
يمكن تمييز الأشياء بحجم الإنسان على أنها ممتدة على مسافة حوالي 3 كيلومترات فقط. بالمقارنة، عند تلك المسافة، يمكننا أن نميز بوضوح بين مصباحين أماميين لسيارتين، ولكن على أي مسافة يمكننا أن ندرك أن الجسم هو أكثر من مجرد وميض ضوء؟ لكي يظهر الجسم ممتدًا مكانيًا وليس على شكل نقطة، يجب أن ينشط الضوء الصادر منه اثنين على الأقل من مخروطي الشبكية المتجاورين - الخلايا المسؤولة عن رؤية الألوان. في ظل الظروف المثالية، يجب أن يقع الجسم بزاوية لا تقل عن دقيقة قوسية واحدة، أو سدس درجة، لإثارة المخاريط المجاورة. ويظل هذا القياس الزاوي كما هو سواء كان الجسم قريبًا أو بعيدًا (يجب أن يكون الجسم البعيد أكبر بكثير ليكون في نفس زاوية الجسم القريب). يقع البدر بزاوية قدرها 30 دقيقة قوسية، في حين أن كوكب الزهرة بالكاد يمكن رؤيته كجسم ممتد بزاوية تبلغ حوالي دقيقة قوسية واحدة.
إن دراسة المجرات البعيدة قد تكشف عن أجسام تبعد مليارات السنين الضوئية، ولكن حتى مع التكنولوجيا المثالية، فإن الفجوة المكانية بين المجرة الأكثر بعدا والانفجار الكبير ستظل واسعة.
بالنظر إلى الكون، نرى الضوء في كل مكان، وعلى جميع المسافات التي يمكن لتلسكوباتنا أن تنظر إليها. لكن في مرحلة ما سوف نواجه قيودًا. إحداها تفرضها البنية الكونية التي تتشكل في الكون: لا يمكننا رؤية النجوم والمجرات وما إلى ذلك إلا إذا بعثت الضوء. وبدون ذلك، لا تستطيع تلسكوباتنا رؤية أي شيء. هناك قيد آخر عند استخدام أشكال أخرى من علم الفلك غير الضوء وهو الحد الأقصى لمقدار الكون الذي كان في متناولنا منذ الانفجار الكبير. وقد لا تكون هاتان الكميتان مرتبطتين ببعضهما البعض، وفي هذا الموضوع يطرح علينا قارئنا سؤالاً:
لماذا يكون الانزياح نحو الأحمر لـ CMB في حدود 1000، على الرغم من أن أعلى انزياح نحو الأحمر في أي مجرة رأيناها هو 11؟أولاً يجب علينا أن نفهم ما كان يحدث في كوننا منذ الانفجار الكبير.
قد يمتد الكون المرئي 46 مليار سنة ضوئية في كل الاتجاهات من وجهة نظرنا، ولكن من المؤكد أن هناك أجزاء أخرى منه لا يمكن ملاحظتها بالنسبة لنا، وربما هي لا نهائية.
المجموعة الكاملة لما نعرفه ونراه ونلاحظه ونتفاعل معه تسمى "الكون المرصود". ومن المحتمل أن تكون هناك مناطق أخرى في الكون أبعد من ذلك، وبمرور الوقت سنكون قادرين على رؤية المزيد والمزيد من هذه المناطق عندما يصل إلينا الضوء من الأجسام البعيدة أخيرًا بعد رحلة استغرقت مليارات السنين عبر الفضاء. يمكننا أن نرى ما نراه (وأكثر، وليس أقل) بسبب مزيج من ثلاثة عوامل:
- لقد مر وقت محدود منذ الانفجار الكبير، 13.8 مليار سنة.
- إن سرعة الضوء، وهي السرعة القصوى لأي إشارة أو جسيم يتحرك عبر الكون، هي سرعة محدودة وثابتة.
- لقد كان نسيج الفضاء نفسه يتمدد ويتوسع منذ الانفجار الكبير.
الجدول الزمني لتاريخ الكون المرئي
وما نراه اليوم هو نتيجة هذه العوامل الثلاثة، بالإضافة إلى التوزيع الأصلي للمادة والطاقة التي تعمل وفق قوانين الفيزياء عبر تاريخ الكون. إذا أردنا أن نعرف كيف كان الكون في أي وقت مبكر من الزمن، نحتاج فقط إلى مراقبة ما هو عليه اليوم، وقياس جميع المعلمات ذات الصلة، وحساب ما كان عليه في الماضي. وللقيام بذلك، سنحتاج إلى الكثير من الملاحظات والقياسات، لكن معادلات أينشتاين، على الرغم من صعوبتها، إلا أنها على الأقل لا لبس فيها. وتنتج النتائج الناتجة عن معادلتين تعرفان بمعادلات فريدمان، ويواجه كل طالب في علم الكونيات مهمة حلهما مباشرة. ولكن بصراحة، تمكنا من إجراء بعض القياسات المذهلة لمتغيرات الكون.
ومن خلال النظر نحو القطب الشمالي لمجرة درب التبانة، يمكننا النظر إلى أعماق الفضاء. تحتوي هذه الصورة على مئات الآلاف من المجرات، وكل بكسل يمثل مجرة مختلفة.
نحن نعلم مدى سرعة توسعها اليوم. نحن نعرف ما هي كثافة المادة في أي اتجاه ننظر إليه. نحن نعرف عدد الهياكل التي تتشكل على جميع المستويات، من العناقيد الكروية إلى المجرات القزمة، ومن المجرات الكبيرة إلى مجموعات المجرات والمجموعات والهياكل الخيطية واسعة النطاق. نحن نعرف مقدار المادة العادية، والمادة المظلمة، والطاقة المظلمة، وكذلك المكونات الأصغر مثل النيوترينوات، والإشعاع، وحتى الثقوب السوداء الموجودة في الكون. وفقط من خلال هذه المعلومات، واستقراءها عبر الزمن، يمكننا حساب حجم الكون ومعدل توسعه في أي لحظة من تاريخه الكوني.
رسم بياني لوغاريتمي لحجم الكون المرئي مقابل العمر
واليوم، يمتد كوننا المرئي ما يقرب من 46.1 مليار سنة ضوئية في جميع الاتجاهات من وجهة نظرنا. على هذه المسافة توجد نقطة البداية لجسيم وهمي انطلق في لحظة الانفجار الكبير، ويسافر بسرعة الضوء، وسيصل إلينا اليوم، بعد 13.8 مليار سنة. من حيث المبدأ، عند هذه المسافة، تتولد جميع موجات الجاذبية التي خلفها التضخم الكوني - وهي الحالة التي سبقت الانفجار الكبير، وأنشأت الكون ووفرت جميع الظروف الأولية.
تعد موجات الجاذبية الناتجة عن التضخم الكوني أقدم إشارة يمكن للبشرية اكتشافها. لقد ولدوا في نهاية التضخم الكوني وفي بداية الانفجار الكبير الساخن.
ولكن هناك إشارات أخرى متبقية في الكون. عندما كان عمره 380 ألف سنة، توقف الإشعاع المتبقي من الانفجار الكبير عن التشتت من الجسيمات المشحونة الحرة عندما شكلت ذرات محايدة. وتستمر هذه الفوتونات، بعد تكوين الذرات، في الانزياح نحو الأحمر مع توسع الكون، ويمكن رؤيتها اليوم باستخدام الميكروويف أو هوائي الراديو/التلسكوب. ولكن بسبب المعدل السريع لتوسع الكون في المراحل المبكرة، فإن "السطح" الذي "يتوهج" لنا بهذا الضوء المتبقي - الخلفية الكونية الميكروية - يبعد عنا 45.2 مليار سنة ضوئية فقط. المسافة من بداية الكون إلى المكان الذي كان فيه الكون بعد 380 ألف سنة تساوي 900 مليون سنة ضوئية!
التقلبات الباردة (الزرقاء) في CMB ليست أكثر برودة في حد ذاتها، ولكنها تمثل ببساطة مناطق ذات جاذبية متزايدة بسبب زيادة كثافة المادة. المناطق الساخنة (الحمراء) أكثر سخونة لأن الإشعاع الموجود في هذه المناطق يعيش في بئر جاذبية أقل عمقًا. مع مرور الوقت، من المرجح أن تنمو المناطق الأكثر كثافة إلى نجوم ومجرات ومجموعات، في حين أن المناطق الأقل كثافة أقل احتمالا أن تفعل ذلك.
سوف يمر وقت طويل قبل أن نجد أبعد مجرة اكتشفناها في الكون. على الرغم من أن عمليات المحاكاة والحسابات تظهر أن النجوم الأولى يمكن أن تكون قد تشكلت بعد 50 إلى 100 مليون سنة من بداية الكون، والمجرات الأولى بعد 200 مليون سنة، إلا أننا لم ننظر بعد إلى هذا الحد (على الرغم من وجود أمل في أنه بعد ظهور الكون) إطلاق تلسكوب جيمس ويب الفضائي العام المقبل يمكننا القيام بذلك!). اليوم، تحتفظ المجرة الموضحة أدناه بالسجل الكوني، والتي كانت موجودة عندما كان عمر الكون 400 مليون سنة - وهذا يمثل 3٪ فقط من عمره الحالي. ومع ذلك، فإن هذه المجرة، GN-z11، تقع على بعد 32 مليار سنة ضوئية فقط: أي حوالي 14 مليار سنة ضوئية من "حافة" الكون المرئي.
أبعد مجرة تم اكتشافها: GN-z11، صورة من مراقبة GOODS-N التي أجراها تلسكوب هابل.
والسبب في ذلك هو أنه في البداية انخفض معدل التوسع بسرعة كبيرة بمرور الوقت. وبحلول الوقت الذي كانت فيه المجرة Gz-11 موجودة كما نراها، كان الكون يتوسع بمعدل أسرع 20 مرة مما هو عليه اليوم. عندما انبعثت CMB، كان الكون يتوسع بمعدل أسرع 20000 مرة مما هو عليه اليوم. في وقت الانفجار الكبير، على حد علمنا، كان الكون يتوسع بمعدل 10 36 مرة أسرع، أو 1،000،000،000،000،000،000،000،000،000،000،000،000 مرة أسرع مما هو عليه اليوم. مع مرور الوقت، انخفض معدل توسع الكون بشكل كبير.
وهذا جيد جدًا بالنسبة لنا! يتم الحفاظ على التوازن بين معدل التوسع الأولي والكمية الإجمالية للطاقة في الكون بجميع أشكاله، حتى خطأ ملاحظاتنا. لو كان هناك المزيد من المادة أو الإشعاع في الكون في وقت مبكر، لكان قد انهار مرة أخرى منذ مليارات السنين ولما كنا موجودين. إذا كان هناك القليل جدًا من المادة أو الإشعاع في الكون في وقت مبكر، فسوف يتوسع بسرعة كبيرة بحيث لن تتمكن الجسيمات من الالتقاء ببعضها البعض حتى لتكوين الذرات، ناهيك عن الهياكل الأكثر تعقيدًا مثل المجرات والنجوم والكواكب والبشر. إن القصة الكونية التي يخبرنا بها الكون هي قصة التوازن الشديد الذي بفضله نحن موجودون.
إن التوازن المعقد بين معدل التوسع والكثافة الإجمالية للكون دقيق للغاية لدرجة أن أي انحراف بنسبة 0.00000000001% في أي من الاتجاهين سيجعل الكون غير صالح للسكن تمامًا لأي حياة أو نجوم أو حتى كواكب في أي وقت.
إذا كانت أفضل نظرياتنا الحالية صحيحة، فمن المفترض أن تكون المجرات الحقيقية الأولى قد تشكلت منذ ما بين 120 إلى 210 مليون سنة. وهذا يتوافق مع المسافة منا إليهم والتي تبلغ 35-37 مليار سنة ضوئية، والمسافة من أبعد مجرة إلى حافة الكون المرصود هي 9-11 مليار سنة ضوئية اليوم. وهذا أمر بعيد للغاية، ويدل على حقيقة مدهشة: لقد توسع الكون بسرعة كبيرة في المراحل المبكرة، وهو اليوم يتوسع بشكل أبطأ بكثير. 1% من عمر الكون مسؤول عن 20% من إجمالي توسعه!
إن تاريخ الكون مليء بالأحداث الرائعة، ولكن منذ انتهاء التضخم وحدث الانفجار الكبير، انخفض معدل التوسع بسرعة، ويتباطأ مع استمرار انخفاض الكثافة.
يؤدي توسع الكون إلى تمديد الطول الموجي للضوء (وهو المسؤول عن الانزياح الأحمر الذي نراه)، والسرعة الكبيرة لهذا التوسع هي المسؤولة عن المسافة الكبيرة بين خلفية الموجات الميكروية والمجرة الأبعد. لكن حجم الكون اليوم يكشف شيئًا آخر مذهلًا: التأثيرات المذهلة التي حدثت مع مرور الوقت. مع مرور الوقت، سيستمر الكون في التوسع أكثر فأكثر، وبحلول الوقت الذي يبلغ فيه عمره عشرة أضعاف عمره اليوم، ستكون المسافات قد زادت كثيرًا لدرجة أننا لن نتمكن بعد الآن من رؤية أي مجرات باستثناء أعضاء مجموعتنا المحلية، حتى مع وجود تلسكوب يعادل هابل. استمتع بكل ما هو مرئي اليوم، بالتنوع الكبير لما هو موجود على جميع المقاييس الكونية. لن يدوم إلى الأبد!
ينحني سطح الأرض ويختفي عن الأنظار على مسافة 5 كيلومترات. لكن حدة البصر لدينا تسمح لنا برؤية ما هو أبعد من الأفق. لو كانت الأرض مسطحة، أو إذا وقفت على قمة جبل ونظرت إلى مساحة أكبر بكثير من الكوكب من المعتاد، فسوف تتمكن من رؤية الأضواء الساطعة على بعد مئات الكيلومترات. وفي ليلة مظلمة، يمكنك رؤية شعلة شمعة تقع على بعد 48 كيلومترًا.
يعتمد المدى الذي يمكن للعين البشرية رؤيته على عدد جزيئات الضوء، أو الفوتونات، المنبعثة من جسم بعيد. أبعد جسم يمكن رؤيته بالعين المجردة هو سديم المرأة المسلسلة، الذي يقع على مسافة هائلة تبلغ 2.6 مليون سنة ضوئية من الأرض. تبعث تريليون نجم في المجرة ما يكفي من الضوء في المجمل لتسبب عدة آلاف من الفوتونات في ضرب كل سنتيمتر مربع من سطح الأرض في كل ثانية. وفي الليلة المظلمة، هذه الكمية كافية لتنشيط شبكية العين.
في عام 1941، قام عالم الرؤية سيليج هيشت وزملاؤه في جامعة كولومبيا بعمل ما يعتبر حتى الآن مقياسًا موثوقًا للعتبة البصرية المطلقة، وهو الحد الأدنى لعدد الفوتونات التي يجب أن تصل إلى شبكية العين لإنتاج الوعي البصري. حددت التجربة العتبة في ظل ظروف مثالية: مُنحت أعين المشاركين وقتًا للتكيف تمامًا مع الظلام المطلق، وكان وميض الضوء الأزرق والأخضر الذي يعمل كمحفز يبلغ طوله الموجي 510 نانومتر (وهو ما تكون العيون أكثر حساسية له). وتم توجيه الضوء إلى الحافة الطرفية للشبكية، مملوءة بخلايا قضيبية حساسة للضوء. 
وفقًا للعلماء، لكي يتمكن المشاركون في التجربة من التعرف على وميض الضوء هذا في أكثر من نصف الحالات، كان من الضروري ضرب مقل العيون من 54 إلى 148 فوتونًا. واستنادا إلى قياسات امتصاص الشبكية، يقدر العلماء أن قضبان شبكية العين البشرية تمتص في المتوسط 10 فوتونات. وبالتالي، فإن امتصاص 5-14 فوتونًا أو، على التوالي، تنشيط 5-14 قضيبًا يشير إلى الدماغ أنك ترى شيئًا ما.
"هذا في الواقع عدد صغير جدًا من التفاعلات الكيميائية"، كما أشار هيشت وزملاؤه في ورقة بحثية حول التجربة.
ومع الأخذ في الاعتبار العتبة المطلقة، وسطوع لهب الشمعة، والمسافة المقدرة التي يخفت عندها الجسم المضيء، خلص العلماء إلى أن الشخص يمكنه تمييز الوميض الخافت للهب الشمعة على مسافة 48 كيلومترا.
ولكن على أي مسافة يمكننا أن ندرك أن الجسم هو أكثر من مجرد وميض من الضوء؟ لكي يبدو الجسم ممتدًا مكانيًا وليس على شكل نقطة، يجب أن ينشط الضوء الصادر منه اثنين على الأقل من المخاريط الشبكية المتجاورة - الخلايا المسؤولة عن رؤية الألوان. في ظل الظروف المثالية، يجب أن يقع الجسم بزاوية لا تقل عن دقيقة قوسية واحدة، أو سدس درجة، لإثارة المخاريط المجاورة. ويظل هذا القياس الزاوي كما هو سواء كان الجسم قريبًا أو بعيدًا (يجب أن يكون الجسم البعيد أكبر بكثير ليكون في نفس زاوية الجسم القريب). يقع البدر بزاوية قدرها 30 دقيقة قوسية، في حين أن كوكب الزهرة بالكاد يمكن رؤيته كجسم ممتد بزاوية تبلغ حوالي دقيقة قوسية واحدة.
يمكن تمييز الأشياء بحجم الإنسان على أنها ممتدة على مسافة حوالي 3 كيلومترات فقط. وبالمقارنة بهذه المسافة يمكننا التمييز بين الاثنين بوضوح
من رؤية المجرات البعيدة التي تبعد سنوات ضوئية إلى إدراك الألوان غير المرئية، يشرح آدم هادازي مراسل بي بي سي لماذا يمكن لعينيك أن تفعل أشياء مذهلة. انظر من حولك. ماذا ترى؟ كل هذه الألوان، والجدران، والنوافذ، كل شيء يبدو واضحًا، كما لو أن هذا هو ما ينبغي أن يكون عليه الحال هنا. إن فكرة أننا نرى كل هذا بفضل جزيئات الضوء - الفوتونات - التي ترتد من هذه الأجسام وتدخل أعيننا تبدو فكرة لا تصدق.
يتم امتصاص قصف الفوتون هذا بواسطة ما يقرب من 126 مليون خلية حساسة للضوء. تنتقل اتجاهات وطاقات الفوتونات المختلفة إلى دماغنا بأشكال وألوان وسطوع مختلفة، مما يملأ عالمنا متعدد الألوان بالصور.
من الواضح أن رؤيتنا الرائعة لها عدد من القيود. لا يمكننا رؤية موجات الراديو القادمة من أجهزتنا الإلكترونية، ولا يمكننا رؤية البكتيريا الموجودة تحت أنوفنا. ولكن مع التقدم في الفيزياء والبيولوجيا، يمكننا تحديد القيود الأساسية للرؤية الطبيعية. يقول مايكل لاندي، أستاذ علم الأعصاب في جامعة نيويورك: "كل شيء يمكنك تمييزه له عتبة، أدنى مستوى، فوقه وتحته لا يمكنك رؤيته".
دعونا نبدأ بالنظر إلى هذه العتبات البصرية من خلال العدسة - عفواً عن التورية - التي يربطها الكثيرون بالرؤية في المقام الأول: اللون.
يعتمد سبب رؤيتنا للون الأرجواني وليس البني على الطاقة، أو الطول الموجي، للفوتونات التي تضرب شبكية العين، الموجودة في الجزء الخلفي من مقل أعيننا. هناك نوعان من المستقبلات الضوئية، العصي والمخاريط. المخاريط هي المسؤولة عن اللون، والقضبان تسمح لنا برؤية ظلال اللون الرمادي في ظروف الإضاءة المنخفضة، مثل الليل. تمتص الأوبسينات، أو الجزيئات الصبغية، الموجودة في خلايا الشبكية الطاقة الكهرومغناطيسية من الفوتونات الساقطة، مما يولد نبضًا كهربائيًا. تنتقل هذه الإشارة عبر العصب البصري إلى الدماغ، حيث يولد الإدراك الواعي للألوان والصور.
لدينا ثلاثة أنواع من المخاريط والأوبسينات المقابلة لها، كل منها حساس للفوتونات ذات الطول الموجي المحدد. تم تحديد هذه المخاريط S وM وL (أطوال موجية قصيرة ومتوسطة وطويلة، على التوالي). نحن نرى الموجات القصيرة باللون الأزرق، والموجات الطويلة باللون الأحمر. تصبح الأطوال الموجية بينهما ومجموعاتها قوس قزح كاملاً. يقول لاندي: "كل الضوء الذي نراه، ما لم يتم إنشاؤه بشكل مصطنع باستخدام المنشورات أو الأجهزة الذكية مثل الليزر، هو مزيج من أطوال موجية مختلفة".
من بين جميع الأطوال الموجية المحتملة للفوتون، تكتشف مخاريطنا نطاقًا صغيرًا يتراوح من 380 إلى 720 نانومترًا - وهو ما نسميه بالطيف المرئي. يوجد خلف طيفنا الإدراكي طيف الأشعة تحت الحمراء وطيف الراديو، ويتراوح طول موجة الأخير من ملليمتر إلى كيلومتر.
وفوق طيفنا المرئي، عند الطاقات الأعلى والأطوال الموجية الأقصر، نجد الطيف فوق البنفسجي، ثم الأشعة السينية وفي الأعلى طيف أشعة جاما، التي تصل أطوال موجاتها إلى جزء من تريليون من المتر.
على الرغم من أن معظمنا يقتصر على الطيف المرئي، إلا أن الأشخاص الذين يعانون من عدم القدرة على الرؤية (عدم وجود عدسة) يمكنهم الرؤية في الطيف فوق البنفسجي. عادة ما يتم إنشاء Aphakia بسبب الاستئصال الجراحي لإعتام عدسة العين أو العيوب الخلقية. عادةً، تحجب العدسة الضوء فوق البنفسجي، لذلك بدونها، يمكن للأشخاص رؤية ما وراء الطيف المرئي وإدراك الأطوال الموجية التي تصل إلى 300 نانومتر في لون مزرق.
وجدت دراسة أجريت عام 2014 أنه، نسبيًا، يمكننا جميعًا رؤية فوتونات الأشعة تحت الحمراء. إذا ضرب فوتونان من فوتونات الأشعة تحت الحمراء عن طريق الخطأ خلية شبكية في وقت واحد تقريبًا، فإن طاقتهما تتحد، وتحول طولهما الموجي من غير مرئي (على سبيل المثال، 1000 نانومتر) إلى 500 نانومتر مرئي (لون أخضر بارد لمعظم العيون).
تحتوي عين الإنسان السليمة على ثلاثة أنواع من المخاريط، يستطيع كل منها تمييز حوالي 100 ظل مختلف من الألوان، لذلك يتفق معظم الباحثين على أن أعيننا يمكنها تمييز حوالي مليون ظل في المجمل. ومع ذلك، فإن إدراك الألوان هو قدرة ذاتية إلى حد ما تختلف من شخص لآخر، مما يجعل من الصعب تحديد الأرقام الدقيقة.
تقول كيمبرلي جاميسون، عالمة الأبحاث في جامعة كاليفورنيا في إيرفاين: "من الصعب للغاية أن نترجم ذلك إلى أرقام". "ما يراه شخص ما قد يكون مجرد جزء من الألوان التي يراها شخص آخر."
يعرف جاميسون ما يتحدث عنه لأنه يعمل مع "tetrachromats" - الأشخاص ذوي الرؤية "الخارقة". هؤلاء الأفراد النادرون، ومعظمهم من النساء، لديهم طفرة جينية تمنحهم مخاريط رابعة إضافية. بشكل تقريبي، بفضل المجموعة الرابعة من المخاريط، تستطيع رباعيات الألوان رؤية 100 مليون لون. (الأشخاص المصابون بعمى الألوان، ثنائي اللون، لديهم نوعان فقط من المخاريط ويرون ما يقرب من 10000 لون.)
ما هو عدد الفوتونات الدنيا التي نحتاج إلى رؤيتها؟
لكي تعمل رؤية الألوان، تحتاج المخاريط عادةً إلى ضوء أكثر بكثير من نظيراتها العصية. لذلك، في ظروف الإضاءة المنخفضة، "يتلاشى" اللون مع ظهور العصي أحادية اللون في المقدمة.
في ظل ظروف معملية مثالية وفي مناطق الشبكية حيث تكون العصي غائبة إلى حد كبير، يمكن تنشيط المخاريط بواسطة عدد قليل من الفوتونات فقط. ومع ذلك، فإن العصي تعمل بشكل أفضل في ظروف الإضاءة المنتشرة. وكما أظهرت التجارب في الأربعينيات، فإن كمية واحدة من الضوء تكفي لجذب انتباهنا. يقول بريان وانديل، أستاذ علم النفس والهندسة الكهربائية في جامعة ستانفورد: "يمكن للناس أن يستجيبوا لفوتون واحد". "ليس هناك فائدة من أن تكون أكثر حساسية."
في عام 1941، أجلس الباحثون في جامعة كولومبيا الناس في غرفة مظلمة وتركوا أعينهم تتكيف. استغرقت القضبان عدة دقائق للوصول إلى الحساسية الكاملة، ولهذا السبب نواجه صعوبة في رؤية متى تنطفئ الأضواء فجأة.
ثم قام العلماء بوميض الضوء الأزرق والأخضر أمام وجوه الأشخاص. وبمستوى أعلى من الصدفة الإحصائية، تمكن المشاركون من اكتشاف الضوء عندما وصل أول 54 فوتونًا إلى أعينهم.
وبعد تعويض فقدان الفوتونات من خلال امتصاص مكونات أخرى للعين، وجد العلماء أن خمسة فوتونات قامت بتنشيط خمسة قضبان منفصلة أعطت المشاركين الإحساس بالضوء.
ما هي نهاية أصغر وأبعد شيء يمكننا رؤيته؟
قد تفاجئك هذه الحقيقة: لا يوجد حد متأصل لأصغر أو أبعد شيء يمكننا رؤيته. طالما أن الأجسام من أي حجم، وعلى أي مسافة، تنقل الفوتونات إلى خلايا الشبكية، فيمكننا رؤيتها.
يقول لاندي: "كل ما تهتم به العين هو كمية الضوء التي تصل إلى العين". - العدد الإجمالي للفوتونات. يمكنك جعل مصدر الضوء صغيرًا وبعيدًا بشكل يبعث على السخرية، ولكن إذا كان ينبعث منه فوتونات قوية، فسوف تراه."
على سبيل المثال، يقول الاعتقاد السائد أنه في ليلة مظلمة صافية يمكننا رؤية ضوء شمعة من مسافة 48 كيلومترا. من الناحية العملية، بطبيعة الحال، سوف تغمر أعيننا بالفوتونات، وبالتالي فإن كميات الضوء المتجولة من مسافات بعيدة سوف تضيع ببساطة في هذه الفوضى. يقول لاندي: "عندما تزيد من شدة الخلفية، فإن كمية الضوء التي تحتاجها لرؤية شيء ما تزداد".
تقدم سماء الليل، بخلفيتها المظلمة المنقطة بالنجوم، مثالا صارخا على مدى رؤيتنا. النجوم ضخمة. العديد من تلك التي نراها في سماء الليل يبلغ قطرها ملايين الكيلومترات. ولكن حتى أقرب النجوم تبعد عنا ما لا يقل عن 24 تريليون كيلومتر، وبالتالي فهي صغيرة جدًا بالنسبة لأعيننا بحيث لا يمكن رؤيتها. ومع ذلك، فإننا نراها كنقاط باعثة للضوء قوية، حيث تنتقل الفوتونات عبر المسافات الكونية إلى أعيننا.
جميع النجوم الفردية التي نراها في سماء الليل تقع في مجرتنا - درب التبانة. أبعد جسم يمكننا رؤيته بالعين المجردة يقع خارج مجرتنا: مجرة المرأة المسلسلة، التي تقع على بعد 2.5 مليون سنة ضوئية. (على الرغم من أن هذا أمر مثير للجدل، إلا أن بعض الأفراد يزعمون أنهم يستطيعون رؤية مجرة المثلث في سماء ليلية مظلمة للغاية، وهي على بعد ثلاثة ملايين سنة ضوئية، عليك فقط أن تصدق كلامهم).
تريليون نجم في مجرة المرأة المسلسلة، بالنظر إلى المسافة إليها، تتلاشى في رقعة غامضة ومتوهجة من السماء. ومع ذلك فإن حجمها هائل. من حيث الحجم الظاهري، حتى على بعد كوينتيليون كيلومتر، فإن هذه المجرة أوسع بست مرات من القمر الكامل. ومع ذلك، فإن القليل جدًا من الفوتونات يصل إلى أعيننا، مما يجعل هذا الوحش السماوي غير مرئي تقريبًا.
إلى أي مدى يمكن أن تكون الرؤية حادة؟
لماذا لا نستطيع التمييز بين النجوم الفردية في مجرة المرأة المسلسلة؟ إن حدود الدقة البصرية لدينا، أو حدة البصر، تفرض حدودها. حدة البصر هي القدرة على تمييز التفاصيل مثل النقاط أو الخطوط بشكل منفصل عن بعضها البعض بحيث لا يتم تشويشها معًا. وهكذا، يمكننا أن نفكر في حدود الرؤية على أنها عدد "النقاط" التي يمكننا تمييزها.
يتم تحديد حدود حدة البصر من خلال عدة عوامل، مثل المسافات بين المخاريط والعصي الموجودة في شبكية العين. من المهم أيضًا بصريات مقلة العين نفسها، والتي، كما قلنا سابقًا، تمنع اختراق جميع الفوتونات الممكنة للخلايا الحساسة للضوء.
من الناحية النظرية، أظهرت الأبحاث أن أفضل ما يمكننا رؤيته هو حوالي 120 بكسل لكل درجة قوس، وهي وحدة قياس زاوية. يمكنك أن تفكر في الأمر على أنه رقعة شطرنج باللونين الأبيض والأسود مقاس 60 × 60 يمكن وضعها على ظفر يد ممدودة. يقول لاندي: "إنه أوضح نمط يمكنك رؤيته".
اختبار الرؤية، مثل الرسم البياني بأحرف صغيرة، يتبع نفس المبادئ. تفسر حدود الحدة نفسها سبب عدم قدرتنا على التمييز والتركيز على خلية بيولوجية واحدة خافتة يبلغ عرضها عدة ميكرومترات.
لكن لا تشطب نفسك. مليون لون، وفوتون واحد، وعوالم مجرية تبعد ملايين الكيلومترات - وهذا ليس سيئًا للغاية بالنسبة لفقاعة من الهلام في مآخذ أعيننا متصلة بإسفنجة تزن 1.4 كجم في جماجمنا.
17 أغسطس 2015، 09:25 صباحًا
نحن ندعوك للتعرف على الخصائص المذهلة لرؤيتنا - بدءًا من القدرة على رؤية المجرات البعيدة وحتى القدرة على التقاط موجات الضوء التي تبدو غير مرئية.
انظر حولك في الغرفة التي تتواجد فيها - ماذا ترى؟ الجدران، والنوافذ، والأشياء الملونة - كل هذا يبدو مألوفًا جدًا ويعتبر أمرًا مفروغًا منه. من السهل أن ننسى أننا نرى العالم من حولنا فقط بفضل الفوتونات - وهي جزيئات الضوء المنعكسة من الأشياء والتي تضرب شبكية العين.
هناك ما يقرب من 126 مليون خلية حساسة للضوء في شبكية كل أعيننا. ويقوم الدماغ بفك تشفير المعلومات الواردة من هذه الخلايا حول اتجاه وطاقة الفوتونات الساقطة عليها ويحولها إلى مجموعة متنوعة من الأشكال والألوان وشدة إضاءة الأجسام المحيطة.
الرؤية البشرية لها حدودها. وبالتالي، فإننا لا نستطيع رؤية موجات الراديو المنبعثة من الأجهزة الإلكترونية، ولا رؤية أصغر البكتيريا بالعين المجردة.
بفضل التقدم في الفيزياء والبيولوجيا، أصبح من الممكن تحديد حدود الرؤية الطبيعية. يقول مايكل لاندي، أستاذ علم النفس والبيولوجيا العصبية في جامعة نيويورك: "كل شيء نراه له "عتبة" معينة نتوقف عندها عن التعرف عليه".
دعونا أولاً نفكر في هذه العتبة من حيث قدرتنا على تمييز الألوان - ربما تكون القدرة الأولى التي تتبادر إلى الذهن فيما يتعلق بالرؤية.
إن قدرتنا على التمييز، على سبيل المثال، بين اللون البنفسجي والأرجواني ترتبط بالطول الموجي للفوتونات التي تصل إلى شبكية العين. هناك نوعان من الخلايا الحساسة للضوء في شبكية العين - العصي والمخاريط. المخاريط هي المسؤولة عن إدراك الألوان (ما يسمى بالرؤية النهارية)، وتسمح لنا القضبان برؤية ظلال اللون الرمادي في الإضاءة المنخفضة - على سبيل المثال، في الليل (الرؤية الليلية).
تحتوي العين البشرية على ثلاثة أنواع من المخاريط وعدد مماثل من أنواع الأوبسينات، كل منها حساس بشكل خاص للفوتونات ذات نطاق معين من الأطوال الموجية الضوئية.
المخاريط من النوع S حساسة للجزء ذي الطول الموجي القصير البنفسجي من الطيف المرئي؛ المخاريط من النوع M هي المسؤولة عن اللون الأخضر والأصفر (الطول الموجي المتوسط)، والمخاريط من النوع L هي المسؤولة عن اللون الأصفر والأحمر (الطول الموجي الطويل).
كل هذه الموجات، بالإضافة إلى مجموعاتها، تسمح لنا برؤية مجموعة كاملة من ألوان قوس قزح. يقول لاندي: "جميع مصادر الضوء المرئي البشرية، باستثناء بعض المصادر الاصطناعية (مثل المنشور الانكساري أو الليزر)، تبعث مزيجًا من الأطوال الموجية ذات الأطوال الموجية المختلفة".
من بين جميع الفوتونات الموجودة في الطبيعة، فإن مخاريطنا قادرة على اكتشاف فقط تلك التي تتميز بأطوال موجية في نطاق ضيق جدًا (عادةً من 380 إلى 720 نانومتر) - وهذا ما يسمى طيف الإشعاع المرئي. يوجد تحت هذا النطاق أطياف الأشعة تحت الحمراء والراديو - وتتراوح الأطوال الموجية للفوتونات منخفضة الطاقة للأخيرة من ملليمترات إلى عدة كيلومترات.
وعلى الجانب الآخر من نطاق الطول الموجي المرئي يوجد طيف الأشعة فوق البنفسجية، يليه الأشعة السينية، ثم طيف أشعة جاما مع الفوتونات التي تكون أطوال موجتها أقل من جزء من تريليون من المتر.
على الرغم من أن معظمنا يعاني من رؤية محدودة في الطيف المرئي، إلا أن الأشخاص الذين يعانون من عدم القدرة على الرؤية – أي غياب العدسة في العين (نتيجة لجراحة إزالة المياه البيضاء أو، بشكل أقل شيوعًا، بسبب عيب خلقي) – قادرون على رؤية الأطوال الموجية فوق البنفسجية.
في العين السليمة، تحجب العدسة الموجات فوق البنفسجية، لكن في غيابها يكون الشخص قادرًا على إدراك موجات يصل طولها إلى حوالي 300 نانومتر بلون أزرق-أبيض.
تشير دراسة أجريت عام 2014 إلى أنه، إلى حد ما، يمكننا جميعًا رؤية فوتونات الأشعة تحت الحمراء. إذا ضرب فوتونان من هذا القبيل نفس الخلية الشبكية في وقت واحد تقريبًا، فيمكن أن تتراكم طاقتهما، وتحول موجات غير مرئية، على سبيل المثال، 1000 نانومتر إلى طول موجي مرئي قدره 500 نانومتر (معظمنا يرى موجات بهذا الطول بلون أخضر بارد). .
كم عدد الألوان التي نراها؟
هناك ثلاثة أنواع من المخاريط في عين الإنسان السليمة، كل منها قادر على تمييز حوالي 100 درجة مختلفة من الألوان. ولهذا السبب، يقدر معظم الباحثين عدد الألوان التي يمكننا تمييزها بحوالي مليون لون. ومع ذلك، فإن إدراك اللون شخصي للغاية وفردي.
جيمسون يعرف ما يتحدث عنه. إنها تدرس رؤية رباعيات الألوان - الأشخاص الذين يتمتعون بقدرات خارقة حقًا على تمييز الألوان. رباعي الألوان نادر ويحدث في معظم الحالات عند النساء. نتيجة طفرة جينية، لديهم نوع رابع إضافي من المخروط، والذي يسمح لهم، وفقا لتقديرات تقريبية، برؤية ما يصل إلى 100 مليون لون. (الأشخاص المصابون بعمى الألوان، أو ثنائي اللون، لديهم نوعان فقط من المخاريط - لا يمكنهم تمييز ما لا يزيد عن 10000 لون.)
كم عدد الفوتونات التي نحتاجها لرؤية مصدر الضوء؟
بشكل عام، تتطلب المخاريط ضوءًا أكثر بكثير لتعمل على النحو الأمثل من العصي. لهذا السبب، في الإضاءة المنخفضة، تقل قدرتنا على تمييز الألوان، وتبدأ العصي في العمل، مما يوفر رؤية بالأبيض والأسود.
في ظل ظروف معملية مثالية، في مناطق الشبكية حيث تكون العصي غائبة إلى حد كبير، يمكن تنشيط المخاريط بواسطة عدد قليل من الفوتونات فقط. ومع ذلك، فإن الصولجانات تقوم بعمل أفضل في تسجيل حتى الضوء الخافت.
وكما أظهرت التجارب التي أجريت لأول مرة في الأربعينيات من القرن الماضي، فإن كمية واحدة من الضوء تكفي لأعيننا لرؤيتها. يقول بريان واندل، أستاذ علم النفس والهندسة الكهربائية في جامعة ستانفورد: "يمكن لأي شخص أن يرى فوتونًا واحدًا. ليس من المنطقي أن تكون شبكية العين أكثر حساسية".
في عام 1941، أجرى باحثون من جامعة كولومبيا تجربة - حيث أخذوا الأشخاص إلى غرفة مظلمة وأعطوا أعينهم وقتًا معينًا للتكيف. تتطلب القضبان عدة دقائق لتحقيق الحساسية الكاملة؛ ولهذا السبب عندما نطفئ الأضواء في الغرفة، نفقد القدرة على رؤية أي شيء لفترة من الوقت.
ثم تم توجيه ضوء وامض باللون الأزرق والأخضر إلى وجوه الأشخاص. مع احتمال أعلى من الصدفة العادية، سجل المشاركون في التجربة وميضًا من الضوء عندما ضرب 54 فوتونًا فقط شبكية العين.
لا يتم اكتشاف جميع الفوتونات التي تصل إلى شبكية العين بواسطة الخلايا الحساسة للضوء. مع أخذ ذلك في الاعتبار، توصل العلماء إلى استنتاج مفاده أن خمسة فوتونات فقط تنشط خمسة قضبان مختلفة في شبكية العين كافية لكي يرى الشخص وميضًا.
أصغر وأبعد الأشياء المرئية
قد تفاجئك الحقيقة التالية: إن قدرتنا على رؤية جسم ما لا تعتمد على حجمه المادي أو بعده، بل على ما إذا كان عدد قليل من الفوتونات المنبعثة منه ستضرب شبكية العين على الأقل.
يقول لاندي: “الشيء الوحيد الذي تحتاجه العين لرؤية شيء ما هو كمية معينة من الضوء المنبعث أو المنعكس من الجسم. ويعود الأمر كله إلى عدد الفوتونات التي تصل إلى شبكية العين، بغض النظر عن مدى صغر مصدر الضوء. وحتى لو كان موجودًا لجزء من الثانية، فلا يزال بإمكاننا رؤيته إذا أصدر ما يكفي من الفوتونات".
غالبًا ما تحتوي كتب علم النفس المدرسية على عبارة مفادها أنه في ليلة مظلمة صافية، يمكن رؤية شعلة الشمعة من مسافة تصل إلى 48 كم. في الواقع، تتعرض شبكية العين لقصف مستمر بالفوتونات، بحيث يتم ببساطة فقدان كم واحد من الضوء المنبعث من مسافة كبيرة على خلفيتها.
للحصول على فكرة عن المدى الذي يمكننا رؤيته، دعونا ننظر إلى سماء الليل المليئة بالنجوم. حجم النجوم هائل. فالعديد من تلك التي نراها بالعين المجردة يصل قطرها إلى ملايين الكيلومترات.
ومع ذلك، حتى النجوم الأقرب إلينا تقع على مسافة تزيد عن 38 تريليون كيلومتر من الأرض، لذا فإن أحجامها الظاهرية صغيرة جدًا لدرجة أن أعيننا غير قادرة على تمييزها.
من ناحية أخرى، ما زلنا نلاحظ النجوم في شكل مصادر الضوء الساطعة، حيث أن الفوتونات المنبعثة منها تتغلب على المسافات الهائلة التي تفصل بيننا وتضرب شبكية العين لدينا.
جميع النجوم المرئية الفردية في سماء الليل تقع في مجرتنا درب التبانة. أبعد جسم عنا يمكن للإنسان رؤيته بالعين المجردة يقع خارج مجرة درب التبانة وهو في حد ذاته عنقود نجمي - هذا هو سديم المرأة المسلسلة، الذي يقع على مسافة 2.5 مليون سنة ضوئية، أو 37 كوينتيليون كيلومتر، منا. الشمس. (يزعم بعض الناس أنه في الليالي المظلمة بشكل خاص، تسمح لهم رؤيتهم الثاقبة برؤية مجرة المثلث، التي تقع على بعد حوالي 3 ملايين سنة ضوئية، لكنهم يتركون هذا الادعاء لضميرهم).
يحتوي سديم المرأة المسلسلة على تريليون نجم. ونظرًا للمسافة الكبيرة، تندمج كل هذه النجوم في بقعة ضوء بالكاد مرئية. علاوة على ذلك، فإن حجم سديم المرأة المسلسلة هائل. وحتى على هذه المسافة الهائلة، فإن حجمه الزاوي يبلغ ستة أضعاف قطر البدر. ومع ذلك، يصل إلينا عدد قليل جدًا من الفوتونات من هذه المجرة، مما يجعلها بالكاد مرئية في سماء الليل.
حد حدة البصر
لماذا لا نستطيع رؤية النجوم الفردية في سديم المرأة المسلسلة؟ والحقيقة هي أن الدقة، أو حدة البصر، لها حدودها. (تشير حدة البصر إلى القدرة على تمييز عناصر مثل نقطة أو خط ككائنات منفصلة لا تمتزج مع الكائنات المجاورة أو الخلفية.)
في الواقع، يمكن وصف حدة البصر بنفس طريقة وصف دقة شاشة الكمبيوتر - بالحد الأدنى لحجم البكسل الذي لا يزال بإمكاننا تمييزه كنقاط فردية.
تعتمد محدودية حدة البصر على عدة عوامل، مثل المسافة بين المخاريط الفردية وقضبان الشبكية. تلعب الخصائص البصرية لمقلة العين نفسها دورًا لا يقل أهمية، حيث لا يصل كل فوتون إلى الخلية الحساسة للضوء.
من الناحية النظرية، تظهر الأبحاث أن حدة البصر لدينا تقتصر على القدرة على التمييز حوالي 120 بكسل لكل درجة زاوية (وحدة قياس زاوية).
يمكن أن يكون التوضيح العملي لحدود حدة البصر البشرية عبارة عن جسم يقع على مسافة ذراع، بحجم ظفر، مع 60 خطًا أفقيًا و60 خطًا رأسيًا من الألوان البيضاء والسوداء البديلة المطبقة عليه، مما يشكل ما يشبه رقعة الشطرنج. يقول لاندي: "على ما يبدو، هذا هو أصغر نمط لا تزال العين البشرية قادرة على تمييزه".
وتعتمد الجداول التي يستخدمها أطباء العيون لاختبار حدة البصر على هذا المبدأ. الجدول الأكثر شهرة في روسيا، Sivtsev، يتكون من صفوف من الحروف الكبيرة السوداء على خلفية بيضاء، وحجم الخط يصبح أصغر مع كل صف.
يتم تحديد حدة البصر لدى الشخص من خلال حجم الخط الذي يتوقف عنده عن رؤية الخطوط العريضة للحروف بوضوح ويبدأ في الخلط بينها.
إن حد حدة البصر هو الذي يفسر حقيقة أننا لا نستطيع أن نرى بالعين المجردة خلية بيولوجية لا يتجاوز حجمها بضعة ميكرومترات.
لكن لا داعي للحزن على هذا. إن القدرة على تمييز مليون لون والتقاط فوتونات واحدة ورؤية المجرات على بعد عدة كوينتيليون كيلومتر هي نتيجة جيدة للغاية، مع الأخذ في الاعتبار أن رؤيتنا يتم توفيرها من خلال زوج من الكرات الشبيهة بالهلام في محجر العين، متصلة بكتلة مسامية يبلغ وزنها 1.5 كجم. في الجمجمة.
