Quanto lontano possiamo vedere. Straordinarie capacità dell'occhio umano: visione cosmica e raggi invisibili

Quanti colori possiamo vedere?

Un occhio umano sano ha tre tipi di coni, ognuno dei quali può distinguere circa 100 diverse sfumature di colore, quindi la maggior parte dei ricercatori concorda sul fatto che i nostri occhi possono distinguere circa un milione di sfumature in totale. Tuttavia, la percezione del colore è un’abilità abbastanza soggettiva che varia da persona a persona, rendendo difficile stabilire numeri esatti.

"È piuttosto difficile quantificarlo in numeri", afferma Kimberly Jamison, ricercatrice presso l'Università della California, Irvine. "Ciò che vede una persona può essere solo una parte dei colori che vede un'altra persona."

Jamison sa di cosa sta parlando perché lavora con i "tetracromati" - persone con una visione "sovrumana". Questi rari individui, per lo più donne, hanno una mutazione genetica che conferisce loro un quarto cono extra. In parole povere, grazie alla quarta serie di coni, i tetracromatici possono vedere 100 milioni di colori. (Le persone daltoniche, dicromate, hanno solo due tipi di coni e vedono circa 10.000 colori.)

Quanti fotoni minimi dobbiamo vedere?

Affinché la visione dei colori funzioni, i coni in genere necessitano di molta più luce rispetto ai bastoncelli. Pertanto, in condizioni di scarsa illuminazione, il colore "svanisce" mentre i bastoncini monocromatici vengono alla ribalta.

In condizioni di laboratorio ideali e nelle aree della retina dove i bastoncelli sono in gran parte assenti, i coni possono essere attivati ​​solo da una manciata di fotoni. Tuttavia, gli stick funzionano meglio in condizioni di luce diffusa. Come hanno dimostrato gli esperimenti degli anni ’40, un quanto di luce è sufficiente per attirare la nostra attenzione. "Le persone possono rispondere a un singolo fotone", afferma Brian Wandell, professore di psicologia e ingegneria elettrica a Stanford. "Non ha senso essere ancora più sensibili."


Nel 1941, i ricercatori della Columbia University fecero sedere le persone in una stanza buia e lasciarono che i loro occhi si adattassero. Le aste hanno impiegato diversi minuti per raggiungere la massima sensibilità, motivo per cui abbiamo difficoltà a vedere quando le luci si spengono improvvisamente.

Gli scienziati hanno quindi acceso una luce blu-verde davanti ai volti dei soggetti. Ad un livello superiore alla possibilità statistica, i partecipanti sono stati in grado di rilevare la luce quando i primi 54 fotoni hanno raggiunto i loro occhi.

Dopo aver compensato la perdita di fotoni attraverso l'assorbimento da parte di altre componenti dell'occhio, gli scienziati hanno scoperto che cinque fotoni attivavano cinque bastoncelli separati che davano ai partecipanti la sensazione della luce.

Qual è il limite del più piccolo e del più lontano che possiamo vedere?

Questo fatto potrebbe sorprenderti: non esiste alcun limite intrinseco alla cosa più piccola o più lontana che possiamo vedere. Finché oggetti di qualsiasi dimensione, a qualsiasi distanza, trasmettono fotoni alle cellule della retina, possiamo vederli.

"Tutto ciò che interessa all'occhio è la quantità di luce che colpisce l'occhio", afferma Landy. - Numero totale di fotoni. Puoi rendere la fonte di luce ridicolmente piccola e distante, ma se emette fotoni potenti, la vedrai."

Ad esempio, la credenza popolare dice che in una notte buia e limpida possiamo vedere la luce di una candela da una distanza di 48 chilometri. In pratica, ovviamente, i nostri occhi saranno semplicemente bagnati di fotoni, quindi i quanti di luce che vagano da grandi distanze si perderanno semplicemente in questo caos. "Quando aumenti l'intensità dello sfondo, la quantità di luce necessaria per vedere qualcosa aumenta", afferma Landy.


Il cielo notturno, con il suo sfondo scuro punteggiato di stelle, fornisce un esempio lampante della portata della nostra visione. Le stelle sono enormi; molti di quelli che vediamo nel cielo notturno hanno un diametro di milioni di chilometri. Ma anche le stelle più vicine distano da noi almeno 24mila miliardi di chilometri, e quindi sono così piccole ai nostri occhi da non poter essere viste. Eppure li vediamo come potenti punti di luce che emettono mentre i fotoni viaggiano attraverso le distanze cosmiche e arrivano ai nostri occhi.

Tutte le singole stelle che vediamo nel cielo notturno si trovano nella nostra galassia - . L'oggetto più distante che possiamo vedere ad occhio nudo si trova al di fuori della nostra galassia: la Galassia di Andromeda, situata a 2,5 milioni di anni luce di distanza. (Sebbene questo sia controverso, alcuni individui affermano di poter vedere la Galassia del Triangolo in un cielo notturno estremamente buio, e che è a tre milioni di anni luce di distanza, devi solo credergli sulla parola).

I trilioni di stelle nella galassia di Andromeda, data la sua distanza, si confondono in una zona di cielo vaga e luminosa. Eppure le sue dimensioni sono colossali. In termini di dimensioni apparenti, anche a quintilioni di chilometri di distanza, questa galassia è sei volte più ampia della Luna piena. Tuttavia, ai nostri occhi arrivano così pochi fotoni che questo mostro celeste è quasi invisibile.

Quanto può essere nitida la vista?

Perché non riusciamo a distinguere le singole stelle nella Galassia di Andromeda? I limiti della nostra risoluzione visiva, o acuità visiva, impongono le loro limitazioni. L'acuità visiva è la capacità di distinguere dettagli come punti o linee separatamente gli uni dagli altri in modo che non si confondano insieme. Possiamo quindi pensare ai limiti della visione come al numero di “punti” che possiamo distinguere.


I limiti dell'acuità visiva sono stabiliti da diversi fattori, come la distanza tra i coni e i bastoncelli racchiusi nella retina. Importante è anche l'ottica del bulbo oculare stesso, che, come abbiamo già detto, impedisce la penetrazione di tutti i fotoni possibili nelle cellule sensibili alla luce.

In teoria, la ricerca ha dimostrato che il meglio che possiamo vedere è di circa 120 pixel per grado di arco, un'unità di misura angolare. Puoi pensarla come una scacchiera in bianco e nero 60 x 60 che si adatta all'unghia di una mano tesa. "È lo schema più chiaro che puoi vedere", dice Landy.

Un test della vista, come un grafico con lettere minuscole, segue gli stessi principi. Questi stessi limiti di acutezza spiegano perché non possiamo distinguere e mettere a fuoco una singola cellula biologica debole, larga diversi micrometri.

Ma non cancellarti. Un milione di colori, singoli fotoni, mondi galattici distanti quantilioni di chilometri: niente male per una bolla di gelatina nelle nostre orbite collegata a una spugna di 1,4 kg nel nostro cranio.

La superficie della Terra nel tuo campo visivo inizia a curvarsi a una distanza di circa 5 km. Ma l’acutezza della vista umana ci permette di vedere molto più in là dell’orizzonte. Se non ci fosse la curvatura, vedresti la fiamma di una candela a 50 km di distanza.

Il campo visivo dipende dal numero di fotoni emessi da un oggetto distante. Il miliardo di stelle di questa galassia emette collettivamente abbastanza luce da consentire a diverse migliaia di fotoni di raggiungere ogni metro quadrato. cm Terra. Questo è sufficiente per eccitare la retina dell'occhio umano.

Poiché è impossibile verificare l'acuità della vista umana mentre si è sulla Terra, gli scienziati hanno fatto ricorso a calcoli matematici. Hanno scoperto che per vedere la luce tremolante, è necessario che tra 5 e 14 fotoni colpiscano la retina. La fiamma di una candela a una distanza di 50 km, tenendo conto della diffusione della luce, fornisce questa quantità e il cervello riconosce un debole bagliore.

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La superficie terrestre si curva e scompare alla vista a una distanza di 5 chilometri. Ma la nostra acutezza visiva ci permette di vedere ben oltre l’orizzonte. Se la Terra fosse piatta, o se ti trovassi in cima a una montagna e guardassi un’area del pianeta molto più ampia del solito, saresti in grado di vedere luci intense a centinaia di chilometri di distanza. In una notte buia potresti persino vedere la fiamma di una candela situata a 48 chilometri di distanza.

Quanto lontano può vedere l'occhio umano dipende da quante particelle di luce, o fotoni, vengono emesse da un oggetto distante. L'oggetto più distante visibile ad occhio nudo è la Nebulosa di Andromeda, situata ad un'enorme distanza di 2,6 milioni di anni luce dalla Terra. I mille miliardi di stelle della galassia emettono complessivamente abbastanza luce da far sì che diverse migliaia di fotoni colpiscano ogni centimetro quadrato della superficie terrestre ogni secondo. In una notte buia, questa quantità è sufficiente per attivare la retina.

Nel 1941, lo scienziato della vista Selig Hecht e i suoi colleghi della Columbia University realizzarono quella che è ancora considerata una misura affidabile della soglia visiva assoluta: il numero minimo di fotoni che devono colpire la retina per produrre consapevolezza visiva. L'esperimento ha fissato la soglia in condizioni ideali: agli occhi dei partecipanti è stato dato il tempo di adattarsi completamente all'oscurità assoluta, il lampo di luce blu-verde che fungeva da stimolo aveva una lunghezza d'onda di 510 nanometri (a cui gli occhi sono più sensibili), e la luce era diretta verso il bordo periferico della retina, pieno di bastoncelli fotosensibili.

Secondo gli scienziati, affinché i partecipanti all'esperimento potessero riconoscere un simile lampo di luce, in più della metà dei casi, dovevano colpire dai 54 ai 148 fotoni. Sulla base delle misurazioni dell'assorbimento retinico, gli scienziati stimano che in media 10 fotoni vengano effettivamente assorbiti dai bastoncelli della retina umana. Pertanto, l'assorbimento di 5-14 fotoni o, rispettivamente, l'attivazione di 5-14 bastoncini indica al cervello che stai vedendo qualcosa.

"Si tratta davvero di un numero molto piccolo di reazioni chimiche", hanno osservato Hecht e i suoi colleghi in un articolo sull'esperimento.

Tenendo conto della soglia assoluta, della luminosità della fiamma di una candela e della distanza stimata alla quale un oggetto luminoso si attenua, gli scienziati hanno concluso che una persona potrebbe discernere il debole tremolio della fiamma di una candela a una distanza di 48 chilometri.

Gli oggetti delle dimensioni di una persona sono distinguibili se estesi a una distanza di soli 3 chilometri circa. In confronto, a quella distanza potremmo distinguere chiaramente i fari di due automobili, ma a quale distanza possiamo riconoscere che un oggetto è più di un semplice barlume di luce? Affinché un oggetto appaia spazialmente esteso e non puntiforme, la sua luce deve attivare almeno due coni retinici adiacenti, le cellule responsabili della visione dei colori. In condizioni ideali, un oggetto dovrebbe trovarsi ad un angolo di almeno 1 minuto d'arco, o un sesto di grado, per eccitare i coni adiacenti. Questa misura angolare rimane la stessa sia che l'oggetto sia vicino o lontano (l'oggetto lontano deve essere molto più grande per formare lo stesso angolo di quello vicino). La Luna Piena si trova ad un angolo di 30 minuti d'arco, mentre Venere è appena visibile come oggetto esteso con un angolo di circa 1 minuto d'arco.