ตั้งแต่การสังเกตกาแล็กซีที่อยู่ห่างออกไปหลายล้านปีแสงไปจนถึงการรับรู้สีที่มองไม่เห็น Adam Hadhazy อธิบายว่าทำไมดวงตาของคุณสามารถทำสิ่งที่เหลือเชื่อได้
มองไปรอบ ๆ ห้อง – คุณเห็นอะไร? สีสันเหล่านั้น ผนัง หน้าต่าง ทุกอย่างดูชัดเจนในตัวเอง อยู่ที่นั่น เป็นเรื่องแปลกที่จะคิดว่าวิธีที่เรารับรู้สภาพแวดล้อมที่อุดมสมบูรณ์นี้ทำให้เกิดอนุภาคแสงที่เรียกว่าโฟตอนซึ่งสะท้อนวัตถุเหล่านี้และเข้าสู่ดวงตาของเรา
เขื่อนโฟโตนิกนี้ถูกดูดซับโดยเซลล์ที่ไวต่อแสงประมาณ 126 ล้านเซลล์ ทิศทางและพลังงานที่แตกต่างกันของโฟตอนจะถูกแปลงโดยสมองของเราเป็นรูปร่าง สี ความสว่างที่แตกต่างกัน ทั้งหมดนี้ทำให้โลกสีทางเทคนิคของเราทันสมัย
ดวงตาของเราเป็นสิ่งมหัศจรรย์ แต่มีขีดจำกัดพื้นฐาน
การมองเห็นของเรานั้นช่างน่าประหลาดใจอย่างเห็นได้ชัดโดยปราศจากข้อจำกัดบางประการ เราไม่สามารถเห็นคลื่นวิทยุเล็ดลอดออกมาจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของเราได้มากไปกว่าที่เราเห็นแบคทีเรียตัวเล็กๆ ใต้จมูกของเรา แต่ด้วยความก้าวหน้าทางฟิสิกส์และชีววิทยา เราสามารถทดสอบขีดจำกัดพื้นฐานของการมองเห็นตามธรรมชาติได้ Michael Landy ศาสตราจารย์ด้านจิตวิทยาและประสาทวิทยาแห่งมหาวิทยาลัยนิวยอร์กกล่าวว่า “ทุกสิ่งที่คุณสามารถแยกแยะได้มีเกณฑ์ ซึ่งเป็นระดับที่ต่ำที่สุดที่คุณทำได้และต่ำกว่าที่คุณทำไม่ได้
เราจะอธิบายเกณฑ์การมองเห็นเหล่านี้ในขั้นต้นผ่านเลนส์ – เล่นสำนวนที่ตั้งใจไว้ – สิ่งที่เราหลายคนนึกถึงเป็นอันดับแรกเมื่อเราพิจารณาการมองเห็น: สี
เหตุใดเราจึงรับรู้ไวโอเล็ตกับสีแดงชาดขึ้นอยู่กับพลังงานหรือความยาวคลื่นของโฟตอนที่กระทบกับเรตินาของเรา ซึ่งอยู่ที่ด้านหลังลูกตาของเรา ที่นั่น เรามีเซลล์รับแสงสองประเภท เรียกว่าแท่งและโคน เซลล์รูปกรวยจัดการกับสี ในขณะที่เซลล์แบบแท่งช่วยให้เรามองเห็นระดับสีเทาในสภาพแสงน้อยได้ เช่น ในเวลากลางคืน
Opsins หรือโมเลกุลของเม็ดสีในเซลล์เรตินาดูดซับพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าจากการกระทบกระเทือนโฟตอน ทำให้เกิดแรงกระตุ้นทางไฟฟ้า สัญญาณนั้นเดินทางผ่านเส้นประสาทตาไปยังสมอง ซึ่งสร้างการรับรู้อย่างมีสติของสีและภาพ
คนที่มีอาการที่เรียกว่า aphakia มีการมองเห็นด้วยรังสีอัลตราไวโอเลต
เรามีเซลล์รูปกรวยสามประเภทและออปซินที่เกี่ยวข้องกัน และแต่ละยอดมีความไวต่อโฟตอนของความยาวคลื่นเฉพาะ เซลล์รูปกรวยเหล่านี้ถูกขนานนามว่า S, M และ L สำหรับความยาวคลื่นสั้น กลาง และยาว ความยาวคลื่นที่สั้นกว่าที่เรามองว่าเป็นสีน้ำเงินมากขึ้น ในขณะที่ความยาวคลื่นที่ยาวกว่าจะเป็นสีแดงมากกว่า ความยาวคลื่นทั้งหมดที่อยู่ระหว่างนั้น (และรวมกัน) ทำให้เกิดรุ้งกินน้ำเต็มตา “แสงทั้งหมดที่เราเห็น ยกเว้นแสงที่สร้างจากปริซึมหรืออุปกรณ์แฟนซี เช่น เลเซอร์ ล้วนมีความยาวคลื่นผสมกัน” แลนดี้กล่าว
จากความยาวคลื่นโฟตอนที่เป็นไปได้ทั้งหมด เซลล์รูปกรวยของเราตรวจพบแต่เศษเล็กเศษน้อย โดยทั่วไปอยู่ในช่วงประมาณ 380 ถึง 720 นาโนเมตร ซึ่งเป็นสิ่งที่เราเรียกว่าสเปกตรัมที่มองเห็นได้ ด้านล่างแถบการรับรู้แคบของเราคือสเปกตรัมอินฟราเรดและคลื่นวิทยุ โดยมีความยาวคลื่นที่ยาวกว่าและมีพลังงานน้อยกว่าตั้งแต่มิลลิเมตรถึงกิโลเมตร
เหนือสเปกตรัมที่มองเห็นได้ของเราเป็นพลังงานที่สูงขึ้นและความยาวคลื่นที่สั้นลง เราพบแถบอัลตราไวโอเลต จากนั้นจึงเกิดรังสีเอกซ์ ตามด้วยสเปกตรัมรังสีแกมมา ซึ่งความยาวคลื่นอยู่ในช่วงเพียงล้านล้านเมตร
ในลักษณะการพูด เราทุกคนสามารถเห็นโฟตอนอินฟราเรดได้
ในขณะที่พวกเราส่วนใหญ่ถูก จำกัด ให้อยู่ในสเปกตรัมที่มองเห็นได้ แต่คนที่มีอาการที่เรียกว่า aphakia มีวิสัยทัศน์อัลตราไวโอเลต Aphakia คือการไม่มีเลนส์เนื่องจากการผ่าตัดต้อกระจกหรือข้อบกพร่องที่มีมา แต่กำเนิด โดยปกติแล้ว เลนส์จะบล็อกแสงอัลตราไวโอเลต ดังนั้นหากไม่มีเลนส์นี้ ผู้คนจะมองเห็นได้ไกลกว่าสเปกตรัมที่มองเห็นและรับรู้ความยาวคลื่นสูงถึง 300 นาโนเมตรว่ามีสีฟ้า-ขาว
การศึกษาในปี 2014 ชี้ให้เห็นว่าในลักษณะการพูดเราทุกคนสามารถเห็นโฟตอนอินฟราเรดได้เช่นกัน ถ้าโฟตอนอินฟราเรดสองโฟตอนกระแทกเข้าไปในเซลล์เรตินาเกือบพร้อมกัน พลังงานของพวกมันสามารถรวมกัน โดยแปลงจากความยาวคลื่นที่มองไม่เห็น เช่น 1000 นาโนเมตรเป็น 500 นาโนเมตรที่มองเห็นได้ (สีเขียวเย็นตาสำหรับดวงตาส่วนใหญ่)
เราสามารถเห็นสีได้กี่สี?
ดวงตาของมนุษย์ที่แข็งแรงมีเซลล์รูปกรวยสามประเภท ซึ่งแต่ละเซลล์สามารถระบุเฉดสีได้ประมาณ 100 เฉดสี ดังนั้นนักวิจัยส่วนใหญ่จึงกำหนดจำนวนสีที่เราสามารถแยกแยะได้ประมาณหนึ่งล้านสี ถึงกระนั้น การรับรู้ของสีก็เป็นความสามารถเฉพาะตัวที่แตกต่างกันไปในแต่ละบุคคล ซึ่งทำให้ยากและรวดเร็วในการระบุรูปร่าง
จำนวนสีโดยเฉลี่ยที่เราแยกแยะได้คือประมาณหนึ่งล้านสี
Kimberly Jameson นักวิทยาศาสตร์โครงการร่วมของ University of California, Irvine กล่าวว่า “คุณคงลำบากใจที่จะใส่ตัวเลขลงไป “สิ่งที่อาจเป็นไปได้กับคนคนหนึ่งเป็นเพียงเศษเสี้ยวของสีที่คนอื่นมองเห็น”
เจมสันรู้ดีว่าเธอกำลังพูดถึงอะไร เพราะทำงานกับ“เตตระโครแมต” ผู้ที่มีวิสัยทัศน์เหนือมนุษย์อย่างชัดเจน บุคคลที่หายากเหล่านี้ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นผู้หญิง มีการกลายพันธุ์ทางพันธุกรรมโดยให้เซลล์รูปกรวยที่สี่พิเศษเพิ่มขึ้น จากการประมาณคร่าวๆ ตามจำนวนกรวยพิเศษเหล่านี้ tetrachromats อาจเห็น 100 ล้านสี (คนที่ตาบอดสีหรือไดโครแมต มีกรวยเพียงสองอันเท่านั้น และอาจมองเห็นสีได้ 10,000 สี)
โฟตอนจำนวนน้อยที่สุดที่เราต้องดูคืออะไร?
ในการสร้างการมองเห็นสี เซลล์รูปกรวยมักต้องการแสงในการทำงานมากกว่าลูกพี่ลูกน้องของพวกมัน นั่นคือแท่ง นั่นเป็นสาเหตุว่าทำไมในสถานการณ์ที่มีแสงน้อย สีจึงลดลงเมื่อแท่งแบบสีเดียวเข้ามาแทนที่หน้าที่ด้านการมองเห็น
ในสภาพห้องปฏิบัติการในอุดมคติและในสถานที่บนเรตินาซึ่งเซลล์ของแท่งส่วนใหญ่หายไป เซลล์รูปกรวยสามารถเปิดใช้งานได้เมื่อถูกโฟตอนเพียงไม่กี่ตัวถูกกระแทก แม้ว่าเซลล์แบบแท่งจะทำงานได้ดียิ่งขึ้นในการรับแสงโดยรอบที่มีอยู่ ในขณะที่การทดลองดำเนินการครั้งแรกในทศวรรษที่ 1940 แสดงให้เห็นว่าแสงเพียงหนึ่งควอนก็เพียงพอที่จะกระตุ้นการรับรู้ของเรา Brian Wandell ศาสตราจารย์ด้านจิตวิทยาและวิศวกรรมไฟฟ้าที่ Stanford กล่าวว่า “ผู้คนสามารถตอบสนองต่อโฟตอนเพียงตัวเดียวได้ “ไม่มีประโยชน์ที่จะอ่อนไหวไปกว่านี้แล้ว”
