هل يمكن للبشر أن يروا الفوتون مباشرة؟
نعم. في الواقع، الفوتونات هي فقط الأشياء التي يمكن للبشر رؤيتها مباشرة.
الفوتون قليل من الضوء.
تم تصميم عيون الإنسان خصيصًا للكشف عن الضوء.
يحدث هذا عندما يدخل الفوتون إلى العين ويتم امتصاصه بواسطة إحدى خلايا القضيب أو المخروط التي تغطي الشبكية على السطح الخلفي الداخلي للعين.
عندما تنظر إلى كرسي، فأنت لا ترى كرسيًا بالفعل.
أنت ترى مجموعة من الفوتونات التي انعكست من الكرسي.
في عملية الانعكاس عن الكرسي، تم ترتيب هذه الفوتونات في نمط يشبه الكرسي.
عندما تضرب الفوتونات شبكية العين، تكتشف خلايا المخروط والقضيب هذا النمط وترسله إلى دماغك.
بهذه الطريقة، يعتقد دماغك أنه ينظر إلى كرسي عندما ينظر حقًا إلى مجموعة من الفوتونات مرتبة في نمط كرسي.
يمكن لعينيك رؤية باقات من الفوتونات، ولكن هل يمكنهم رؤية فوتون واحد معزول؟.
كل خلية قضيب في عينك قادرة بالفعل على اكتشاف فوتون واحد معزول.
ومع ذلك، فإن الدوائر العصبية في عينك تمر فقط إشارة إلى الدماغ إذا تم الكشف عن العديد من الفوتونات في نفس الوقت تقريبًا في خلايا القضيب المجاورة.
لذلك، على الرغم من أن عينك قادرة على اكتشاف فوتون واحد معزول، فإن دماغك غير قادر على إدراكه.
إذا كان ذلك ممكنًا، فإن الفوتون المعزول سيبدو وكأنه وميض سطوع قصير في نقطة واحدة.
نحن نعرف ذلك لأن مستشعر الكاميرا الحساس قادر بالفعل على اكتشاف ومعالجة الفوتون المعزول، ويبدو الفوتون وكأنه وميض قصير من السطوع عند نقطة واحدة.
يحتوي الفوتون على العديد من الخصائص، وكل من هذه الخصائص يحمل معلومات حول المصدر الذي أنشأ الفوتون أو آخر كائن يتفاعل مع الفوتون.
الخصائص الأساسية للفوتون الذي يحمل المعلومات هي اللون (التردد)، الدوران (الاستقطاب) والموقع واتجاه الانتشار ومرحلة الموجة.
هناك أيضًا العديد من الخصائص الأخرى للفوتون.
مثل الطاقة وطول الموجة والزخم والرقم الموجي؛ لكن هذه كلها تعتمد على التردد وبالتالي لا تحمل أي معلومات إضافية.
بالإضافة إلى ذلك، عند وجود العديد من الفوتونات، يمكن حمل المعلومات عن طريق عدد الفوتونات (السطوع).
عندما تنعكس مجموعة من الفوتونات على كرسي، تشكل الفوتونات أنماطًا من اللون والدوران والموقع والاتجاه ومرحلة الموجة والسطوع الذي يحتوي على معلومات حول الكرسي.
بالأدوات المناسبة، يمكن تحليل كل من هذه الأنماط من أجل الحصول على معلومات حول الكرسي.
تم تصميم العين البشرية للكشف عن أنماط اللون والموقع والاتجاه والسطوع لمجموعة من الفوتونات، ولكن ليس مرحلة الدوران أو الموجة.
معلومات اللونيتم الكشف عنها في العين من خلال وجود ثلاثة أنواع مختلفة من الخلايا المخروطية لكل منها مجموعة مختلفة من حساسية اللون.
أحد الأنواع له نطاق حساسية متمركز على الأحمر، ونوع آخر له نطاق متمركز على اللون الأخضر، ونوع آخر له نطاق متمركز على الأزرق.
يمكن للعين أن ترى جميع الألوان تقريبًا في الطيف المرئي من خلال مقارنة التنشيط النسبي لهذه الأنواع الثلاثة المختلفة من الخلايا المخروطية.
على سبيل المثال، عندما تنظر إلى الخزامى الصفراء، تتدفق الفوتونات الصفراء في عينك وتضرب خلايا المخروط الأحمر والأخضر والأزرق.
يتم تشغيل خلايا المخروط الأحمر والأخضر فقط بواسطة الفوتونات الصفراء، ويفسر دماغك اللون الأحمر والأخضر على أنه أصفر.
على النقيض من الخلايا المخروطية، هناك نوع واحد فقط من خلايا القضيب، وبالتالي يمكن لخلايا القضيب اكتشاف السطوع وليس اللون فقط.
تستخدم خلايا القضيب في المقام الأول في ظروف الإضاءة المنخفضة.
معلومات الموقع يتم الكشف عنها في العين عن طريق نشر خلايا المخروط والقضيب عبر مواقع مختلفة على طول الشبكية.
الفوتونات المختلفة الموجودة في مواقع مختلفة ستشعل خلايا مختلفة.
بهذه الطريقة، يتم الكشف عن النمط المكاني لموقع الفوتون مباشرة بواسطة شبكية العين.
لاحظ أن الفوتونات يمكن أن تأتي من اتجاهات مختلفة وتطمس معًا.
لهذا السبب، تحتوي العين على كومة من العدسات في الأمام تركز فقط الضوء على خلية معينة تأتي من نقطة واحدة على الكائن الذي يتم مشاهدته.
تلعب العدسة دورًا أساسيًا في استخراج معلومات الموقع حول الكائن الذي يتم مشاهدته من معلومات موقع الفوتونات على الشبكية.
إذا تعطلت العدسة، لم يعد موقع الفوتون على شبكية العين يتوافق تمامًا مع المواقع النقطية على الكائن الذي يتم عرضه وينتهي الأمر بالصورة ضبابية.
لاحظ أن النظام البصري البشري يمكنه فقط تصوير بعدين مباشرة لمعلومات موقع الفوتون.
يتم استخراج المعلومات حول البعد الثالث بشكل غير مباشر من قبل البشر باستخدام مجموعة متنوعة من الحيل المرئية (تسمى "إشارات العمق"), الحيلة الرئيسية هي استخدام عينين يتم تعويضهما قليلاً عن بعضهما البعض.
معلومات الاتجاه يتم اكتشافه بشكل فظ فقط من قبل البشر من خلال جعل الدماغ يتتبع الطريقة التي يتم بها توجيه العينين، ومن خلال جعل العيون تنظر إلى شيء من زوايا مختلفة.
على سبيل المثال، تحتوي غرفة ذات جدار واحد مطلي باللون الأحمر والجدار المقابل المطلي باللون الأزرق على فوتونات حمراء من الجدار في اتجاه واحد وفوتونات زرقاء من الجدار الآخر تطلق في الاتجاه المعاكس.
في مكان معين في الغرفة، تتضمن مجموعة الفوتونات في تلك البقعة فوتونات حمراء وفوتونات زرقاء تسير في اتجاهين متعاكسين.
ومع ذلك، يمكن للإنسان أن يستنتج فقط أن الفوتونات الحمراء والزرقاء تسير في اتجاهات مختلفة (وبالتالي تستنتج أن الجدران الحمراء والزرقاء في مواقع مختلفة) عن طريق تدوير رأسه و تحليل طريقتين مختلفتين بينما يتتبع دماغه اتجاه رأسه.
معلومات السطوع يتم استخراجها مباشرة من شبكية العين عن طريق قياس عدد الفوتونات التي تضرب منطقة معينة من الشبكية بزيادة زمنية معينة.
يمكن لكل من خلايا القضيب والخلايا المخروطية جمع معلومات السطوع.
بما أن العين البشرية ترى في النهاية الفوتونات فقط، يمكن لآلة توليد الضوء أن تجعل الجسم المادي يبدو موجودًا من خلال إعادة إنشاء الأنماط الصحيحة للفوتونات التي ستخرج من الجسم إذا كانت موجودة بالفعل.
على سبيل المثال، يمكننا أن نجعلها تبدو وكأنها كرسي موجود إذا أنشأنا مجموعة من الفوتونات بنفس أنماط جمع الفوتونات الموجودة عندما يكون هناك كرسي بالفعل.
هذا ما تفعله شاشات عرض الكمبيوتر. تلتقط الكاميرا الأنماط الموجودة في الفوتونات القادمة من كرسي وتخزن المعلومات على شكل قطع من الكهرباء.
ثم تستخدم شاشة الكمبيوتر هذه المعلومات لإعادة إنشاء مجموعة الفوتون وترى صورة للكرسي.
ومع ذلك، يمكن لشاشات أجهزة الكمبيوتر القياسية تحديد لون الفوتونات التي تنشئها وسطوعها وموقعها ثنائي الأبعاد فقط.
ونتيجة لذلك، فإن صورة كائن مادي على شاشة الكمبيوتر ثنائية الأبعاد وليست واقعية تمامًا.
هناك العديد من الحيل التي تستخدم لمحاولة نقل البعد الثالث للمعلومات إلى البشر، بما في ذلك نظارات الاستقطاب المستخدمة في دور السينما ثلاثية الأبعاد والعدسات العدسية المستخدمة في بعض أغلفة الكتب.
ومع ذلك، عادة ما تكون هذه الأنظمة غير واقعية تمامًا لأنها لا تعيد إنشاء مجال الفوتون ثلاثي الأبعاد الكامل.
هذا يعني أن مثل هذه الاستجمام "ثلاثية الأبعاد" للكائنات لا يمكن عرضها إلا من زاوية نظرة واحدة وليست مقنعة تمامًا.
يجد بعض الناس أنه نظرًا لأن هذه الأنظمة "الثلاثية الأبعاد" تستخدم الحيل المرئية بدلاً من مجال الفوتون ثلاثي الأبعاد الكامل,هذه الأنظمة تسبب لهم الصداع والغثيان.
في المقابل، يقترب جهاز العرض المجسم من إعادة إنشاء مجال الفوتون ثلاثي الأبعاد الكامل القادم من شيء ما.
ونتيجة لذلك، يبدو الهولوغرام أكثر واقعية ويمكن مشاهدته من زوايا مختلفة، تمامًا مثل كائن حقيقي.
ومع ذلك، فإن الصور المجسمة الحقيقية غير قادرة حاليًا على إعادة إنتاج معلومات الألوان بشكل فعال.
لاحظ أن العديد من الصور الدقيقة للألوان التي يُزعم أنها صور ثلاثية الأبعاد هي في الواقع صور مسطحة مع حيل مضافة لجعلها تبدو ثلاثية الأبعاد إلى حد ما.
لن يكون من الممكن إعادة إنشاء الفوتون الواقعي بالكامل لجسم مادي حتى تتمكن الصور المجسمة من إعادة إنشاء معلومات الألوان بدقة.
خواص الفوتونات التي لا تستطيع عيون الإنسان رؤيتها تدور (الاستقطاب) ومرحلة الموجة.
لاحظ أنه في ظل الظروف المناسبة، يمكن لبعض الأشخاص اكتشاف حالة الاستقطاب الكلية لحزمة الضوء بأكملها؛ ولكن لا يمكن لأي عين بشرية عارية أن ترى نمط الاستقطاب مباشرة.
من خلال النظر في مرشحات الاستقطاب القابلة للدوران، والتي تحول معلومات الاستقطاب إلى معلومات كثافة اللون، يمكن للإنسان المدرب أن يتعلم بشكل غير مباشر رؤية نمط الاستقطاب للفوتونات القادمة من شيء ما.
مثال على ذلك هو المرونةالطريقة التي تسمح للناس برؤية الضغوط الميكانيكية في أشياء معينة.
على النقيض من البشر، يمكن لبعض الحيوانات مثل نحل العسل والأخطبوط أن ترى بالفعل نمط الاستقطاب لمجموعة من الفوتونات.
على سبيل المثال، يمكن لنحل العسل رؤية نمط الاستقطاب الطبيعي الموجود في سماء النهار واستخدامه لأغراض التوجيه.
لا يمكن أيضًا الكشف عن مرحلة موجة الفوتون مباشرة من قبل البشر ولكن يمكن اكتشافها بواسطة آلات تسمى مقاييس التداخل.
غالبًا ما تستخدم معلومات المرحلة لتحديد تسطيح سطح عاكس.
باختصار، يمكن للبشر بالفعل رؤية الفوتونات.
يمكن للبشر رؤية جميع خصائص الفوتونات باستثناء مرحلة الدوران والموجة. نظرًا لأن الفوتونات تنتقل في أنماط يمليها المصدر الذي أنشأها أو آخر شيء تتفاعل معه الفوتونات، فإننا عادة لا ندرك أننا ننظر إلى الفوتونات على الإطلاق.
بدلاً من ذلك، نعتقد أننا ننظر إلى الأشياء المادية التي تخلق وتناثر الفوتونات.
الآن، ربما كنت تقصد أن تسأل، "هل يمكن للبشر أن يروا الفوتون بنفس الطريقة التي نرى بها كرسيًا؟".
مرة أخرى، يمكننا رؤية كرسي لأن الفوتونات ترتد منه في نمط معين يمثل الكرسي وتدخل أعيننا.
من أجل رؤية الفوتون بنفس الطريقة التي ترى بها كرسيًا، يجب أن يكون لديك مجموعة من الفوتونات ترتد من الفوتون الذي تحاول "رؤيته" ثم أدخل هذه المجموعة عينك.
ومع ذلك، لا ترتد الفوتونات مباشرة عن بعضها البعض، لذلك لا يمكن أن يعمل هذا أبدًا.
حتى إذا كانت الفوتونات يمكن أن ترتد عن بعضها البعض، فلن ترى أي شيء خاص من هذا الإعداد.
ستظل ترى ضوءًا سريعًا في مرحلة ما عندما تضرب مجموعة صغيرة من الفوتونات شبكية العين.
عندما تعتقد أنك ترى شعاعًا ضوئيًا يجلس في الفضاء، مثل القدوم من مصباح يدوي,أنت في الواقع ترى جزيئات الغبار على طول مسار الشعاع بسبب ارتداد الفوتونات من جزيئات الغبار.