Fino a che punto può vedere l'occhio umano? Straordinarie capacità dell'occhio umano: visione cosmica e raggi invisibili

La superficie della Terra si curva e scompare dal campo visivo a una distanza di 5 chilometri. Ma l’acutezza della nostra visione 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, potresti vedere luci brillanti a centinaia di chilometri di distanza. In una notte buia potresti persino vedere la fiamma di una candela situata a 48 chilometri da te.

Quanto lontano può vedere l'occhio umano dipende da quante particelle di luce, o fotoni, emette l'oggetto distante. L'oggetto più lontano visibile ad occhio nudo è la Nebulosa di Andromeda, situata a una distanza di 2,6 milioni di anni luce dalla Terra. Un trilione di stelle in questa galassia emettono luce sufficiente per far sì che diverse migliaia di fotoni entrino in collisione con ogni centimetro quadrato della superficie terrestre ogni secondo. In una notte buia, questa quantità è sufficiente per attivare la retina.

Nel 1941, lo specialista della vista Selig Hecht e i suoi colleghi della Columbia University realizzarono quella che è ancora considerata una misura affidabile della soglia assoluta della visione: il numero minimo di fotoni che devono entrare nella retina per provocare la consapevolezza della percezione visiva. L'esperimento ha fissato una soglia in condizioni ideali: agli occhi dei partecipanti è stato concesso 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 che riconoscono la luce.

Secondo gli scienziati, affinché i partecipanti all'esperimento potessero riconoscere un tale lampo di luce in più della metà dei casi, dovevano cadere nei bulbi oculari da 54 a 148 fotoni. Sulla base delle misurazioni dell'assorbimento retinico, gli scienziati hanno calcolato che in media 10 fotoni vengono effettivamente assorbiti dai bastoncini retinici umani. 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 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 può distinguere 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 questa distanza riusciremmo a distinguere chiaramente i due fari di un'auto, ma a quale distanza riconosceremo che l'oggetto è qualcosa di più di un semplice guizzo di luce? Affinché un oggetto appaia esteso nello spazio e non come un punto, la luce proveniente da esso deve attivare almeno due coni retinici adiacenti, le cellule responsabili della visione dei colori. Idealmente, l'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 indipendentemente dal fatto che l'oggetto sia vicino o lontano (l'oggetto lontano deve essere molto più grande per trovarsi allo 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.

Studiare le galassie più distanti può mostrarci oggetti distanti miliardi di anni luce, ma anche con una tecnologia perfetta, il divario spaziale tra la galassia più distante e il Big Bang rimarrà enorme.

Quando scrutiamo l'Universo, vediamo la luce ovunque, a tutte le distanze che solo i nostri telescopi possono vedere. Ma ad un certo punto ci imbatteremo in limitazioni. Uno di questi è sovrapposto alla struttura cosmica che si sta formando nell'Universo: possiamo vedere le stelle, le galassie, ecc., solo se emettono luce. Senza di esso, i nostri telescopi non possono vedere nulla. Un'altra limitazione quando si utilizzano forme di astronomia che non si limitano alla luce è la limitazione della quantità di universo a nostra disposizione dal Big Bang. Queste due quantità potrebbero non essere correlate tra loro, ed è su questo argomento che il nostro lettore ci pone una domanda:

Perché lo spostamento verso il rosso della CMB è nell'ordine di 1000 quando il più grande spostamento verso il rosso di qualsiasi galassia che abbiamo visto è 11?

Innanzitutto dobbiamo affrontare ciò che è accaduto nel nostro universo a partire dal Big Bang.



L'universo osservabile può estendersi per 46 miliardi di anni luce in tutte le direzioni dal nostro punto di vista, ma ci sono certamente altre parti di esso che non possiamo osservare, e forse sono addirittura infinite.

L’intero insieme di ciò che conosciamo, vediamo, osserviamo e con cui interagiamo è chiamato “Universo osservabile”. Probabilmente ci sono più regioni dell’universo al di là di esso, e col tempo saremo in grado di vedere sempre più di queste regioni quando la luce proveniente da oggetti distanti finalmente ci raggiungerà dopo un viaggio cosmico di miliardi di anni. Possiamo vedere ciò che vediamo (e di più, non di meno) grazie ad una combinazione di tre fattori:

• Dal Big Bang è passato un tempo finito, 13,8 miliardi di anni.


• La velocità della luce, la velocità massima di qualsiasi segnale o particella che si muove nell'universo, è finita e costante.


• Il tessuto stesso dello spazio si è allungato ed espanso a partire dal Big Bang.

Cronologia della storia dell'universo osservabile

Ciò che vediamo oggi è il risultato di questi tre fattori, insieme alla distribuzione originaria di materia ed energia, che operano secondo le leggi della fisica nel corso della storia dell'universo. Se vogliamo sapere com'era l'universo in un qualsiasi momento storico, tutto ciò che dobbiamo fare è osservare com'è oggi, misurare tutti i parametri coinvolti e calcolare com'era nel passato. Per fare ciò avremo bisogno di molte osservazioni e misurazioni, ma le equazioni di Einstein, sebbene difficili, sono almeno inequivocabili. Il risultato si traduce in due equazioni, note come equazioni di Friedmann, e il problema di risolverle è uno di quelli che ogni studente di cosmologia affronta direttamente. Ma, francamente, siamo riusciti a effettuare alcune misurazioni sorprendenti dei parametri dell'Universo.

Guardando verso il polo nord della Via Lattea, possiamo scrutare le profondità dello spazio. Centinaia di migliaia di galassie sono etichettate in questa immagine e ogni pixel è una galassia separata.

Sappiamo quanto velocemente si sta espandendo oggi. Sappiamo quanto è densa la materia in qualunque direzione guardiamo. Sappiamo quante strutture si formano a tutte le scale, dagli ammassi globulari alle galassie nane, dalle grandi galassie ai loro gruppi, ammassi e strutture filamentose su larga scala. Sappiamo quanta materia normale, materia oscura, energia oscura, nonché componenti più piccoli, come neutrini, radiazioni e persino buchi neri, si trovano nell'Universo. E solo da queste informazioni, estrapolando indietro nel tempo, possiamo calcolare sia le dimensioni dell’universo che il suo tasso di espansione in qualsiasi momento della sua storia cosmica.

Grafico logaritmico delle dimensioni dell'universo osservabile rispetto all'età

Oggi, dal nostro punto di vista, il nostro universo osservabile si estende per circa 46,1 miliardi di anni luce in tutte le direzioni. A questa distanza si trova il punto di partenza di un'immaginaria particella che partì al momento del Big Bang e, viaggiando alla velocità della luce, arriverebbe a noi oggi, 13,8 miliardi di anni dopo. In linea di principio, a questa distanza si sono generate tutte le onde gravitazionali lasciate dall'inflazione cosmica, lo stato che ha preceduto il Big Bang, ha dato origine all'Universo e ha fornito tutte le condizioni iniziali.

Le onde gravitazionali create dall’inflazione cosmica sono il segnale più antico che l’umanità potrebbe, in linea di principio, rilevare. Sono nati alla fine dell'inflazione cosmica e proprio all'inizio del caldo Big Bang.

Ma ci sono altri segnali nell’Universo. Quando ebbe 380.000 anni, la radiazione residua del Big Bang smise di diffondere particelle cariche libere mentre formavano atomi neutri. E questi fotoni, dopo la formazione degli atomi, continuano a sperimentare lo spostamento verso il rosso insieme all'espansione dell'Universo, e oggi possono essere visti con un'antenna a microonde o un radiotelescopio. Ma a causa della rapida espansione dell'Universo nelle sue fasi iniziali, la "superficie" che "brilla" davanti a noi con questa luce residua - lo sfondo cosmico a microonde - dista solo 45,2 miliardi di anni luce. La distanza dall'inizio dell'universo al punto in cui si trovava 380.000 anni dopo è di 900 milioni di anni luce!

Le fluttuazioni fredde (blu) nella CMB non sono di per sé più fredde, ma rappresentano semplicemente aree di maggiore attrazione gravitazionale dovuta all’aumento della densità della materia. Le regioni calde (rosse) sono più calde perché la radiazione in queste regioni vive in un pozzo gravitazionale meno profondo. Nel corso del tempo, le regioni più dense hanno maggiori probabilità di trasformarsi in stelle, galassie e ammassi, mentre le regioni meno dense hanno meno probabilità di farlo.

Passerà molto tempo prima di trovare la più distante di tutte le galassie dell'Universo che abbiamo scoperto. Anche se simulazioni e calcoli mostrano che le primissime stelle potrebbero formarsi tra 50-100 milioni di anni dall’inizio dell’Universo, e le prime galassie tra 200 milioni di anni, non abbiamo ancora guardato così indietro nel tempo (anche se si spera che dopo il lancio del prossimo anno del James Webb Space Telescope, possiamo farcela!). Oggi, il record cosmico è detenuto dalla galassia mostrata qui sotto, che esisteva quando l'universo aveva 400 milioni di anni, ovvero solo il 3% della sua età attuale. Tuttavia, questa galassia, GN-z11, è a soli 32 miliardi di anni luce di distanza, circa 14 miliardi di anni luce dal “confine” dell’universo osservabile.

La più distante tra tutte le galassie scoperte: GN-z11, foto dall'osservazione GOODS-N effettuata dal telescopio Hubble.

La ragione di ciò è che all’inizio il tasso di espansione è diminuito molto rapidamente nel tempo. Quando esisteva la galassia Gz-11 come l’abbiamo osservata, l’universo si stava espandendo 20 volte più velocemente di quanto lo sia oggi. Quando venne emessa la CMB, l’universo si espandeva 20.000 volte più velocemente di oggi. Al momento del Big Bang, per quanto ne sappiamo, l’universo si espandeva 1036 volte più velocemente, ovvero 1.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 di volte più velocemente di oggi. Nel corso del tempo, il tasso di espansione dell’universo è notevolmente diminuito.

E per noi è molto buono! L'equilibrio tra il tasso di espansione primario e la quantità totale di energia nell'universo in tutte le sue forme è perfettamente mantenuto, nonostante l'errore delle nostre osservazioni. Se l'universo avesse avuto anche solo un po' più di materia o radiazione nelle sue fasi iniziali, sarebbe collassato miliardi di anni fa e noi non saremmo qui. Se all’inizio ci fosse stata troppa poca materia o radiazione nell’universo, esso si sarebbe espanso così rapidamente che le particelle non sarebbero state in grado di incontrarsi tra loro nemmeno per formare atomi, per non parlare di strutture più complesse come galassie, stelle, pianeti e pianeti. umani. . La storia cosmica che l'Universo ci racconta è la storia dello straordinario equilibrio grazie al quale esistiamo.

L’intricato equilibrio tra il tasso di espansione e la densità complessiva dell’universo è così delicato che anche una deviazione dello 0,00000000001% in entrambe le direzioni renderebbe l’universo completamente inabitabile per qualsiasi forma di vita, stella o persino pianeta in un dato momento.

Se le nostre migliori teorie attuali sono corrette, allora le prime vere galassie dovrebbero essersi formate tra 120 e 210 milioni di anni. Ciò corrisponde a una distanza tra noi e loro di 35-37 miliardi di anni luce e una distanza dalla galassia più lontana al confine dell'universo osservabile di 9-11 miliardi di anni luce oggi. Questo è estremamente lontano e parla di un fatto sorprendente: l'universo si è espanso estremamente rapidamente nelle fasi iniziali, e oggi si sta espandendo molto più lentamente. L'1% dell'età dell'Universo è responsabile del 20% della sua espansione totale!

La storia dell'universo è piena di eventi fantastici, ma da quando l'inflazione è finita e si è verificato il Big Bang, il tasso di espansione è crollato e sta rallentando mentre la densità continua a diminuire.

L'espansione dell'Universo allunga la lunghezza d'onda della luce (ed è responsabile dello spostamento verso il rosso che vediamo), e la grande velocità di questa espansione è responsabile della grande distanza tra lo sfondo delle microonde e la galassia più distante. Ma le dimensioni dell’universo oggi rivelano qualcos’altro di sorprendente: gli incredibili effetti che si sono verificati nel tempo. Nel corso del tempo, l'universo continuerà ad espandersi sempre di più, e quando avrà dieci volte la sua età attuale, le distanze saranno aumentate così tanto che non saremo più in grado di vedere nessuna galassia tranne i membri del nostro gruppo locale , anche con un telescopio equivalente a Hubble. Godetevi tutto ciò che è visibile oggi, la grande varietà di ciò che è presente su tutte le scale cosmiche. Non durerà per sempre!

La superficie della Terra si curva e scompare dal campo visivo a una distanza di 5 chilometri. Ma l’acutezza della nostra visione 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, potresti vedere luci brillanti a centinaia di chilometri di distanza. In una notte buia potresti persino vedere la fiamma di una candela situata a 48 chilometri da te.

Quanto lontano può vedere l'occhio umano dipende da quante particelle di luce, o fotoni, emette l'oggetto distante. L'oggetto più lontano visibile ad occhio nudo è la Nebulosa di Andromeda, situata a una distanza di 2,6 milioni di anni luce dalla Terra. Un trilione di stelle in questa galassia emettono luce sufficiente per far sì che diverse migliaia di fotoni entrino in collisione con ogni centimetro quadrato della superficie terrestre ogni secondo. In una notte buia, questa quantità è sufficiente per attivare la retina.

Nel 1941, lo specialista della vista Selig Hecht e i suoi colleghi della Columbia University realizzarono quella che è ancora considerata una misura affidabile della soglia assoluta della visione: il numero minimo di fotoni che devono entrare nella retina per provocare la consapevolezza di una percezione visiva. L'esperimento ha fissato una 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 che riconoscono la luce.

Secondo gli scienziati, affinché i partecipanti all'esperimento potessero riconoscere un tale lampo di luce in più della metà dei casi, dovevano cadere nei bulbi oculari da 54 a 148 fotoni. Sulla base delle misurazioni dell'assorbimento retinico, gli scienziati hanno calcolato che in media 10 fotoni vengono effettivamente assorbiti dai bastoncini retinici umani. 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 colleghi in un articolo su questo 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 può distinguere il debole tremolio della fiamma di una candela a una distanza di 48 chilometri.

Ma a quale distanza possiamo riconoscere che un oggetto è più di un semplice barlume di luce? Affinché un oggetto appaia esteso nello spazio e non puntiforme, la luce proveniente da esso deve attivare almeno due coni retinici adiacenti, le cellule responsabili della visione dei colori. Idealmente, l'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 indipendentemente dal fatto che l'oggetto sia vicino o lontano (l'oggetto lontano deve essere molto più grande per trovarsi allo 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.

Gli oggetti delle dimensioni di una persona sono distinguibili se estesi a una distanza di soli 3 chilometri circa. In confronto, a questa distanza, potremmo distinguerne chiaramente due

Dalla visione di galassie lontane anni luce alla visione di colori invisibili, Adam Hadhazy della BBC spiega perché i tuoi occhi possono fare cose incredibili. Dai un'occhiata in giro. Cosa vedi? Tutti questi colori, muri, finestre, tutto sembra ovvio, come se dovesse essere qui. L'idea che vediamo tutto questo grazie a particelle di luce - i fotoni - che rimbalzano su questi oggetti ed entrano nei nostri occhi sembra incredibile.

Questo bombardamento di fotoni viene assorbito da circa 126 milioni di cellule fotosensibili. Diverse direzioni ed energie dei fotoni vengono trasmesse al nostro cervello in diverse forme, colori, luminosità, riempiendo di immagini il nostro mondo multicolore.

La nostra straordinaria visione presenta ovviamente una serie di limiti. Non possiamo vedere le onde radio dei nostri dispositivi elettronici, non possiamo vedere i batteri sotto il nostro naso. Ma con i progressi della fisica e della biologia, possiamo identificare i limiti fondamentali della visione naturale. "Tutto ciò che puoi vedere ha una soglia, il livello più basso al quale non puoi vedere né sopra né sotto", afferma Michael Landy, professore di neuroscienze alla New York University.

Cominciamo a guardare attraverso il prisma – scusate il gioco di parole – queste soglie visive che molti associano in primo luogo alla visione: il colore.

Il motivo per cui vediamo il viola e non il marrone dipende dall'energia, o lunghezza d'onda, dei fotoni che colpiscono la retina, situata nella parte posteriore dei nostri bulbi oculari. Esistono due tipi di fotorecettori, bastoncelli e coni. I coni sono responsabili del colore, mentre i bastoncelli ci permettono di vedere sfumature di grigio in condizioni di scarsa illuminazione, come di notte. Le opsine, o molecole di pigmento, nelle cellule della retina assorbono l'energia elettromagnetica dei fotoni incidenti, generando un impulso elettrico. Questo segnale viaggia attraverso il nervo ottico fino al cervello, dove nasce la percezione cosciente dei colori e delle immagini.

Abbiamo tre tipi di coni e corrispondenti opsine, ciascuno dei quali è sensibile ai fotoni di una certa lunghezza d'onda. Questi coni sono etichettati S, M e L (rispettivamente lunghezze d'onda corte, medie e lunghe). Percepiamo le onde corte come blu, le onde lunghe come rosse. Le lunghezze d'onda tra loro e le loro combinazioni si trasformano in un arcobaleno completo. "Tutta la luce che vediamo, a parte quella creata artificialmente con prismi o dispositivi intelligenti come i laser, è una miscela di diverse lunghezze d'onda", afferma Landy.

Di tutte le possibili lunghezze d'onda di un fotone, i nostri coni rilevano una piccola banda compresa tra 380 e 720 nanometri, ciò che chiamiamo spettro visibile. Al di fuori del nostro spettro di percezione si trovano gli infrarossi e lo spettro radio, quest'ultimo con una lunghezza d'onda che va da un millimetro a un chilometro.

Sopra il nostro spettro visibile, a energie più elevate e lunghezze d’onda più corte, troviamo lo spettro ultravioletto, poi i raggi X e, in alto, lo spettro dei raggi gamma, con lunghezze d’onda fino a un trilione di metri.

Sebbene la maggior parte di noi sia limitata allo spettro visibile, le persone affette da afachia (mancanza del cristallino) possono vedere nello spettro ultravioletto. L'afachia viene solitamente creata a seguito della rimozione chirurgica della cataratta o di difetti congeniti. Normalmente, la lente blocca la luce ultravioletta, quindi senza di essa le persone possono vedere oltre lo spettro visibile e percepire lunghezze d'onda fino a 300 nanometri in una tinta bluastra.

Uno studio del 2014 ha dimostrato che, relativamente parlando, tutti possiamo vedere i fotoni infrarossi. Se due fotoni infrarossi colpiscono accidentalmente una cellula della retina quasi simultaneamente, la loro energia si combina, convertendo la loro lunghezza d'onda da invisibile (ad esempio 1000 nanometri) a visibile 500 nanometri (verde freddo per la maggior parte degli occhi).

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 in generale possono distinguere circa un milione di sfumature. Tuttavia, la percezione del colore è una capacità piuttosto soggettiva che varia da persona a persona, quindi è abbastanza difficile determinare i numeri esatti.

"È piuttosto difficile quantificarlo in numeri", afferma Kimberly Jamison, ricercatrice presso l'Università della California, Irvine. "Ciò che una persona vede potrebbe essere solo una frazione 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.)

Qual è il numero minimo di fotoni che dobbiamo vedere?

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

In condizioni ideali di laboratorio, 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, i bastoncini funzionano meglio in condizioni di luce diffusa. Come hanno dimostrato gli esperimenti degli anni Quaranta, basta un quanto di luce 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 misero le persone in una stanza buia e lasciarono che i loro occhi si abituassero. Ci sono voluti alcuni minuti perché gli stick raggiungessero 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 alle possibilità statistiche, 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 altri componenti dell'occhio, gli scienziati hanno scoperto che solo cinque fotoni attivavano cinque bastoncelli separati che davano ai partecipanti un senso di luce.

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

Questo fatto potrebbe sorprenderti: non esiste un limite intrinseco alla cosa più piccola o più distante 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. - Il numero totale di fotoni. Puoi rendere una sorgente luminosa ridicolmente piccola e distante, ma se emette fotoni potenti, la vedrai”.

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

Il cielo notturno, con uno sfondo scuro tempestato di stelle, è 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 per i nostri occhi che non riusciamo a distinguerle. Eppure li vediamo come potenti punti di luce che irradiano mentre i fotoni attraversano le distanze cosmiche e colpiscono i nostri occhi.

Tutte le singole stelle che vediamo nel cielo notturno si trovano nella nostra galassia: la Via Lattea. L'oggetto più lontano 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. (Anche se questo è discutibile, alcuni individui affermano di essere in grado di vedere la galassia del Triangolo in un cielo notturno estremamente buio, e che è a tre milioni di anni luce di distanza, basta credergli sulla parola).

I trilioni di stelle nella galassia di Andromeda, data la sua distanza, si confondono in una zona di cielo fiocamente luminosa. Eppure le sue dimensioni sono colossali. In termini di dimensioni apparenti, pur trovandosi a quintilioni di chilometri, questa galassia è sei volte più larga 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 possiamo vedere le singole stelle nella galassia di Andromeda? I limiti della nostra risoluzione visiva, o acuità visiva, impongono le proprie limitazioni. L'acuità visiva è la capacità di distinguere dettagli come punti o linee separatamente gli uni dagli altri in modo che non si fondano 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 coni e 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, gli studi hanno 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 60x60 che si adatta all'unghia di una mano tesa. "È lo schema più chiaro che puoi vedere", dice Landy.

Un esame della vista, come una tabella con lettere minuscole, è guidato dagli stessi principi. Questi stessi limiti di nitidezza spiegano perché non possiamo distinguere e mettere a fuoco una singola cellula biologica debole, larga pochi micrometri.

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

17 agosto 2015 09:25

Ti invitiamo a conoscere le straordinarie proprietà della nostra visione: dalla capacità di vedere galassie distanti alla capacità di catturare onde luminose apparentemente invisibili.

Dai un'occhiata intorno alla stanza in cui ti trovi: cosa vedi? Muri, finestre, oggetti colorati: tutto sembra così familiare ed evidente. È facile dimenticare che vediamo il mondo che ci circonda solo grazie ai fotoni: particelle di luce riflesse dagli oggetti e che cadono sulla retina dell'occhio.

Ci sono circa 126 milioni di cellule sensibili alla luce nella retina di ciascuno dei nostri occhi. Il cervello decifra le informazioni ricevute da queste cellule sulla direzione e l'energia dei fotoni che cadono su di esse e le trasforma in una varietà di forme, colori e intensità di illuminazione degli oggetti circostanti.

La visione umana ha i suoi limiti. Quindi non siamo in grado di vedere le onde radio emesse dai dispositivi elettronici, né di vedere i più piccoli batteri ad occhio nudo.

Grazie ai progressi della fisica e della biologia è possibile definire i limiti della visione naturale. "Ogni oggetto che vediamo ha una certa 'soglia' al di sotto della quale smettiamo di distinguerlo", afferma Michael Landy, professore di psicologia e neuroscienze alla New York University.

Consideriamo innanzitutto questa soglia in termini di capacità di distinguere i colori, forse la prima capacità che ci viene in mente in relazione alla visione.

La nostra capacità di distinguere, ad esempio, il viola dal magenta è legata alla lunghezza d'onda dei fotoni che colpiscono la retina dell'occhio. Nella retina ci sono due tipi di cellule fotosensibili: i bastoncelli e i coni. I coni sono responsabili della percezione dei colori (la cosiddetta visione diurna), mentre i bastoncelli ci permettono di vedere sfumature di grigio in condizioni di scarsa illuminazione, ad esempio di notte (visione notturna).

Nell'occhio umano esistono tre tipi di coni e un corrispondente numero di tipi di opsine, ciascuno dei quali ha una sensibilità speciale ai fotoni con un certo intervallo di lunghezze d'onda della luce.

I coni di tipo S sono sensibili alla parte viola-blu, a lunghezza d'onda corta dello spettro visibile; I coni di tipo M sono responsabili del verde-giallo (lunghezza d'onda media) mentre i coni di tipo L sono responsabili del giallo-rosso (lunghezza d'onda lunga).

Tutte queste onde, così come le loro combinazioni, ci permettono di vedere l'intera gamma di colori dell'arcobaleno. "Tutte le fonti di luce visibile dall'uomo, ad eccezione di alcune artificiali (come un prisma rifrattivo o un laser), emettono una miscela di lunghezze d'onda", afferma Landy.

Di tutti i fotoni esistenti in natura, i nostri coni sono in grado di catturare solo quelli caratterizzati da una lunghezza d'onda in un intervallo molto ristretto (di solito da 380 a 720 nanometri): questo è chiamato spettro della radiazione visibile. Al di sotto di questo intervallo si trovano gli spettri infrarossi e radio: la lunghezza d'onda dei fotoni a bassa energia di questi ultimi varia da millimetri a diversi chilometri.

Dall'altro lato della gamma delle lunghezze d'onda visibili c'è lo spettro ultravioletto, seguito dallo spettro dei raggi X e poi dallo spettro dei raggi gamma con fotoni la cui lunghezza d'onda non supera i trilionesimi di metro.

Sebbene la visione della maggior parte di noi sia limitata allo spettro visibile, le persone affette da afachia - l'assenza del cristallino nell'occhio (come risultato di un intervento di cataratta o, meno comunemente, di un difetto congenito) - sono in grado di vedere le onde ultraviolette.

In un occhio sano, il cristallino blocca le lunghezze d'onda ultraviolette, ma in sua assenza una persona è in grado di percepire lunghezze d'onda fino a circa 300 nanometri come un colore bianco-blu.

Uno studio del 2014 rileva che, in un certo senso, tutti possiamo vedere anche i fotoni infrarossi. Se due di questi fotoni colpiscono la stessa cellula della retina quasi simultaneamente, la loro energia può sommarsi, trasformando lunghezze d’onda invisibili di, diciamo, 1000 nanometri in una lunghezza d’onda visibile di 500 nanometri (la maggior parte di noi percepisce lunghezze d’onda di questa lunghezza d’onda come un colore verde freddo).

Quanti colori vediamo?

In un occhio umano sano esistono tre tipi di coni, ciascuno dei quali è in grado di distinguere circa 100 diverse sfumature di colore. Per questo motivo, la maggior parte dei ricercatori stima che il numero di colori che possiamo distinguere sia pari a circa un milione. Tuttavia, la percezione del colore è molto soggettiva e individuale.

Jameson sa di cosa sta parlando. Studia la visione dei tetracromatici, persone con capacità veramente sovrumane di distinguere i colori. La tetracromia è rara, soprattutto nelle donne. Come risultato di una mutazione genetica, hanno un quarto tipo di coni aggiuntivi, che consente loro, secondo stime approssimative, di vedere fino a 100 milioni di colori. (Le persone daltoniche, o dicromati, hanno solo due tipi di coni: non possono vedere più di 10.000 colori.)

Di quanti fotoni abbiamo bisogno per vedere una sorgente luminosa?

In generale, i coni richiedono molta più luce per funzionare in modo ottimale rispetto ai bastoncelli. Per questo motivo, in condizioni di scarsa illuminazione, la nostra capacità di distinguere i colori diminuisce e i bastoncini vengono messi al lavoro, fornendo una visione in bianco e nero.

In condizioni di laboratorio ideali, nelle aree della retina dove i bastoncelli sono in gran parte assenti, i coni possono attivarsi se colpiti da pochi fotoni. Tuttavia, i bastoncini fanno un lavoro ancora migliore nel catturare anche la luce più fioca.

Come dimostrano i primi esperimenti condotti negli anni ’40, un quanto di luce è sufficiente perché i nostri occhi lo vedano. "Una persona è in grado di vedere solo un singolo fotone", afferma Brian Wandell, professore di psicologia e ingegneria elettrica alla Stanford University. "Una maggiore sensibilità retinica semplicemente non ha senso".

Nel 1941, i ricercatori della Columbia University condussero un esperimento: i soggetti furono portati in una stanza buia e diedero ai loro occhi un certo tempo per adattarsi. I bastoncini impiegano diversi minuti per raggiungere la piena sensibilità; ecco perché, quando spegniamo la luce nella stanza, perdiamo per un po' la capacità di vedere qualsiasi cosa.

Quindi, una luce blu-verde lampeggiante è stata diretta sui volti dei soggetti. Con una probabilità superiore a quella normale, i partecipanti all'esperimento hanno registrato un lampo di luce quando solo 54 fotoni hanno colpito la retina.

Non tutti i fotoni che raggiungono la retina vengono registrati dalle cellule fotosensibili. Considerando questa circostanza, gli scienziati sono giunti alla conclusione che sono sufficienti solo cinque fotoni che attivano cinque diversi bastoncini della retina affinché una persona possa vedere un lampo.

Gli oggetti visibili più piccoli e distanti

Il fatto seguente potrebbe sorprenderti: la nostra capacità di vedere un oggetto non dipende affatto dalle sue dimensioni fisiche o dalla sua distanza, ma dal fatto che almeno alcuni fotoni emessi da esso colpiscano la nostra retina.

"L'unica cosa di cui l'occhio ha bisogno per vedere qualcosa è una certa quantità di luce emessa o riflessa da un oggetto", dice Landy. "Tutto si riduce al numero di fotoni che raggiungono la retina. Esiste per una frazione di un in secondo luogo, possiamo ancora vederlo se emette abbastanza fotoni."

I libri di testo di psicologia affermano spesso che in una notte buia e senza nuvole, la fiamma di una candela può essere vista fino a una distanza di 48 km. In realtà, la nostra retina è costantemente bombardata da fotoni, tanto che un singolo quanto di luce emesso da una grande distanza verrà semplicemente perso nello sfondo.

Per immaginare quanto lontano possiamo vedere, diamo un'occhiata al cielo notturno, tempestato di stelle. Le dimensioni delle stelle sono enormi; molti di quelli che vediamo ad occhio nudo hanno un diametro di milioni di chilometri.

Tuttavia, anche le stelle più vicine a noi si trovano a una distanza di oltre 38 trilioni di chilometri dalla Terra, quindi le loro dimensioni apparenti sono così piccole che il nostro occhio non è in grado di distinguerle.

D'altra parte, osserviamo ancora le stelle come sorgenti luminose puntiformi, perché i fotoni da esse emessi superano le gigantesche distanze che ci separano e colpiscono le nostre retine.

Tutte le singole stelle visibili nel cielo notturno si trovano nella nostra galassia: la Via Lattea. L'oggetto più lontano da noi che una persona può vedere ad occhio nudo si trova al di fuori della Via Lattea ed è esso stesso un ammasso stellare: questa è la Nebulosa di Andromeda, situata a una distanza di 2,5 milioni di anni luce, o 37 quintilioni di km, dal Sole. (Alcuni sostengono che nelle notti particolarmente buie, una vista nitida permette loro di vedere la Galassia del Triangolo, situata a una distanza di circa 3 milioni di anni luce, ma lasciate che questa affermazione rimanga sulla loro coscienza.)

La Nebulosa di Andromeda contiene un trilione di stelle. A causa della grande distanza, tutti questi luminari si fondono per noi in un granello di luce appena distinguibile. Allo stesso tempo, le dimensioni della Nebulosa di Andromeda sono colossali. Anche a una distanza così gigantesca, la sua dimensione angolare è sei volte il diametro della Luna piena. Tuttavia, da questa galassia ci arrivano così pochi fotoni che è appena visibile nel cielo notturno.

Limite dell'acuità visiva

Perché non possiamo vedere le singole stelle nella Nebulosa di Andromeda? Il fatto è che la risoluzione, o l'acuità visiva, ha i suoi limiti. (L'acuità visiva si riferisce alla capacità di distinguere elementi come un punto o una linea come oggetti separati che non si fondono con gli oggetti vicini o con lo sfondo.)

In effetti, l'acuità visiva può essere descritta allo stesso modo della risoluzione del monitor di un computer, in termini di dimensione minima dei pixel che possiamo ancora distinguere come singoli punti.

I limiti dell'acuità visiva dipendono da diversi fattori, come la distanza tra i singoli coni e bastoncelli nella retina. Un ruolo altrettanto importante è giocato dalle caratteristiche ottiche del bulbo oculare stesso, per cui non tutti i fotoni colpiscono una cellula fotosensibile.

In teoria, gli studi dimostrano che la nostra acuità visiva è limitata dalla nostra capacità di vedere circa 120 pixel per grado angolare (un'unità di misura angolare).

Un esempio pratico dei limiti dell'acuità visiva umana può essere un oggetto delle dimensioni di un'unghia situato a un braccio di distanza, su cui sono applicate 60 linee orizzontali e 60 verticali di colori alternati bianco e nero, formando una sorta di scacchiera. "Probabilmente è il disegno più piccolo che l'occhio umano possa ancora distinguere", afferma Landy.

Su questo principio si basano le tabelle utilizzate dagli oculisti per verificare l'acuità visiva. La tabella Sivtsev più famosa in Russia è composta da file di lettere maiuscole nere su sfondo bianco, la cui dimensione del carattere diminuisce con ogni riga.

L'acuità visiva di una persona è determinata dalla dimensione del carattere alla quale smette di vedere chiaramente i contorni delle lettere e inizia a confonderle.

È il limite dell'acuità visiva che spiega il fatto che non siamo in grado di vedere ad occhio nudo una cellula biologica, la cui dimensione è solo di pochi micrometri.

Ma non preoccuparti. La capacità di distinguere un milione di colori, catturare singoli fotoni e vedere galassie a pochi quintilioni di chilometri di distanza è un risultato piuttosto buono, dato che la nostra visione è fornita da un paio di sfere gelatinose nelle orbite, collegate a un apparecchio da 1,5 kg. massa porosa nel cranio.