Как другие животные могут иметь лучшее ночное зрение, чем люди, которые могут обнаруживать отдельные фотоны?

Согласно статье в Википедии о ночном видении ,

У многих животных ночное зрение лучше, чем у людей, что является результатом одного или нескольких различий в морфологии и анатомии их глаз. К ним относятся наличие большего глазного яблока, большего хрусталика, большей оптической апертуры (зрачки могут расширяться до физического предела век), больше палочек, чем колбочек (или исключительно палочек) в сетчатке, и тапетум люцидум.

Но недавнее исследование показало, что человеческий глаз способен обнаруживать отдельные фотоны видимого света. Мне кажется, что это должна быть максимально возможная физически чувствительность к свету, так как КЭД требует, чтобы возбуждения Э&М поля были квантованы в целые числа фотонов.

Как животные могут иметь лучшее ночное зрение, чем люди, если люди могут обнаруживать отдельные кванты света? Дело в том, что, хотя человеческий глаз иногда может обнаруживать отдельные фотоны, глаза других животных могут делать это чаще?

Способность обнаруживать один фотон не означает, что он действительно обнаруживает каждый отдельный фотон. Вероятность обнаружения при попадании одного фотона нельзя было объяснить случайностью, но она все же была очень низкой (см. собственный источник).
Глаза лягушки также способны обнаруживать одиночные фотоны. И они обладают большей чувствительностью , по сравнению с людьми.
Tapetum lucidum, в основном, интенсивность света удваивается. Вероятность обнаружения, как вы сами упомянули, играет роль. Также есть память (как долго вы видите свет после подачи сигнала) и обработка, а также шум и альтернативные стимулы (например, давление). Таким образом, отношение шума к сигналу также важно. Вы также можете увидеть множество эффектов обработки нашего видения на YouTube с визуальными демонстрациями. По сути, мы усредняем стимулы, которые получаем с течением времени, так работают Propeller Clock. Представьте себе животное, которое могло видеть только быстрее/медленнее p. часы.
Животное может видеть только более медленные часы пропеллера, т.е. более высокое время зрительной памяти / время усреднения, может лучше видеть в темноте, но может видеть более размытым в дневное время.
Не похоже ли это на вопрос, почему телескоп может собрать больше света, чем невооруженный глаз? Или почему работают приборы ночного видения? (Основаны на усилении видимого света, а не ИК.)
Мы не видим глазами, мы видим мозгом. Игнорирование обработки сигналов нашим мозгом игнорирует огромную часть всей системы зрения.
Было бы интересно узнать типичный поток фотонов — фотонов в секунду на единицу площади — в различные виды ночи. (Быстрый поиск выдает только ненужную информацию о растениях и PV.) Я подозреваю, что «обнаружение» одного фотона не означает обнаружение каждого отдельного фотона, поскольку фотон должен ударить опсин на клетке-палочке. Самый простой способ улучшить ночное зрение, по-видимому, состоит в том, чтобы более плотно упаковать палочки в сетчатке и/или иметь большее расширенное отверстие зрачка. Если вы посмотрите на животных с хорошим ночным зрением, таких как совы и кошки, вы обнаружите именно это.
Очевидно, что люди действительно могут обнаруживать однофотонные события. Независимо от этой возможности , мы по-прежнему пропускаем гораздо больше фотонов, чем когда-либо «видим». Также профессиональный бейсболист может сделать хоумран на одном поле, но все же...

Ответы (5)

Это исследование показывает, что люди могут обнаруживать одиночные фотоны, но не то чтобы мы особенно хороши в этом.

Усредняя ответы испытуемых и оценки из 30 767 испытаний, после отбора прошло 2420 однофотонных событий, и мы обнаружили, что усредненная вероятность правильного ответа составляет 0,516 ± 0,010 (P = 0,0545; рис. 2a), предполагая, что испытуемые может обнаружить одиночный фотон с вероятностью выше случайной. (выделено мной)

Это исследование показало, что мы можем добиться большего успеха, чем случайный случай, но не то, что мы можем добиться существенно большего успеха, чем случайный случай.

Основываясь на эффективности сигнальной руки и зрительной системы, мы оцениваем, что примерно в 6% всех поствыбранных событий был сгенерирован фактический световой сигнал (раздел «Методы»).

Так что теоретически, если кто-то бросит в меня кучу фотонов, я смогу увидеть некоторые из них.
@A---B В принципе, да. Это основа видения.
Нет, я имею в виду, смогу ли я увидеть отдельные фотоны?
@A---B Да, это то, что говорится в исследовании. Ну, в нем говорится, что вы могли видеть их достаточно часто, чтобы лучше, чем случайный случай, угадать, видели вы их или нет.
Значит ли это, что я смогу увидеть, является ли свет частицей или волной? смогу ли я увидеть колеблющиеся магнитные и электрические поля?
Итак, если я правильно читаю эту цитату, люди обнаруживают примерно 6% фотонов? интересно то, что мы можем воспринимать отдельный фотон сам по себе, а не всегда.
@CortAmmon Альтернативная теория: видение основано на том, что то, что вы видите, бросает маленькие камни.
@A---B Не совсем так. Физика зрения на самом деле весьма увлекательна. Ключевым соединением для зрения при слабом освещении является родопсин. Это соединение весьма нестабильно в присутствии света. Достаточное количество энергии заставит его изменить форму, и посылаемые нами нейронные сигналы на самом деле основаны на том, что мы обнаруживаем побочные продукты этой реакции. Вы не увидите никаких осциллирующих полей, но вы увидите несколько молекул родопсина, которые были преобразованы этой световой энергией.
@jamesturner: дело не в том, что мы обнаруживаем 6%, а в том, что когда вы думаете , что видели маленькое пятнышко, в 51% случаев вы правы, а в 49% — ошибаетесь. Что составляет более 50%, так что это не просто догадки.
@MooingDuck Я понимаю число 0,516 в первой цитате, чего я не понял, так это того, что означает «~ 6%» во второй цитате.
@jamesturner: О. хм. На самом деле это говорит о том, что мы физически обнаруживаем около 6%. Виноват.

Цитата, которую вы сделали из Википедии, включает одну из основных причин превосходного ночного зрения у животных: Tapetum lucidum . Tapetum lucidum — это отражающий слой сразу за сетчаткой; когда свет попадает в глаз и попадает на сетчатку, он не полностью поглощается сетчаткой, а вместо этого проходит и попадает на тапетум люцидум. Затем свет отражается обратно, снова попадая на сетчатку, благодаря чему глаз удваивает количество доступного света. Свет, отражаемый Tapetum lucidum, также является причиной того, что у многих животных светятся глаза, когда вы освещаете их в условиях низкой освещенности.

У людей и других приматов отсутствует tapetum lucidum, и, поскольку у нас, людей, также меньше палочек , чем у многих других животных, в результате у нас ухудшается ночное зрение, хотя наши глаза способны обнаруживать отдельные фотоны.

И это также в значительной степени вопрос чувствительности к длине волны. Быть очень хорошим в обнаружении излучения 532 нм не очень полезно ночью. Видение ИК есть.

Но теплокровные не видят ИК, а те, что видят, как гадюки, имеют только грубую яркость, а не формирование изображения.
@Jdlugosz Действительно, наше ночное видение, вероятно, имеет большее разрешение, чем ИК-гадюка. Их зрение предназначено для того, чтобы видеть сквозь препятствия (например, сухие листья на земле) и упростить обнаружение добычи (поскольку теплокровные животные довольно сильно выделяются на фоне).

Чем больше апертура (диаметр зрачка), тем больше фотонов попадет в единицу времени. Мы можем оценить количество фотонов в единицу времени, необходимое для обнаружения слабого объекта. Как указано в этой статье , в идеальных условиях люди с отличным зрением могут видеть звезды огромной величины. 8,5 . Это соответствует световому потоку л знак равно 10 − 0,4 ( 8,5 + 14.18 )  люкс знак равно 8,5 × 10 − 10  люкс . Ширина зрачка людей с отличным ночным зрением будет около 8 миллиметров, поэтому количество света, попадающего в глаз, будет равно π ( 4 × 10 − 3 ) 2 метр 2 л знак равно 4.3 × 10 − 14  просвет . Световая отдача типичной звезды будет около 100 люмен/Ватт, поэтому поток энергии, поступающий в глаз, будет примерно 4.3 × 10 − 16  Ватт .

Максимально возможная световая отдача, которую может иметь источник света, равна 683 люмен/Ватт, это для монохроматических источников света, излучающих на 555 длина волны нанометров. Таким образом, мы можем заменить свет звезды светом с длиной волны, излучаемой на 555 нанометров длины волны мощностью 6.3 × 10 − 17  Ватт попасть в глаз, и его все равно можно было бы обнаружить; это соответствует 176 фотонов в секунду.

Угловое разрешение глаза, ограниченное дифракцией, оказывается почти таким же, как максимально возможное разрешение, определяемое плотностью светочувствительных фоторецепторных клеток в глазу, поэтому эти фотоны будут поражать небольшое количество клеток. Это означает, что вам нужно порядка сотни фотонов в секунду на фоторецепторную клетку, чтобы иметь возможность обнаружить что-то, и это число будет аналогичным для других животных. Но у других животных может быть гораздо больший диаметр зрачка и другое количество фоторецепторных клеток.

«Это означает, что вам нужно порядка сотни фотонов в секунду на фоторецепторную клетку, чтобы иметь возможность обнаружить что-то» — разве весь смысл статьи в Nature не в том, что люди могут обнаруживать отдельные фотоны?
@tparker Да, я согласен, но тогда вы можете сравнить это с известными практическими пределами видимости, которые требуют наличия некоторого потока фотонов, который затем приводит к ограничению яркости объекта, который мы можем видеть, а затем зависит на размер глаза.
@tparker То, что вы можете обнаружить один фотон, не означает, что вы можете использовать этот фотон для формирования изображения. Вся сцена требует довольно много фотонов, чтобы иметь какой-либо смысл, и у вас есть ограниченное количество времени, чтобы получить эти фотоны (исходя из «частоты обновления» — продолжительности «остаточного изображения» предыдущих фотонов). Большой глаз видит больше фотонов, поэтому лучше видит в темноте. Tapeta lucida в основном позволяет «повторно использовать» фотоны (это имеет эффект, аналогичный увеличению экспозиции в камере — вещи становятся ярче, но распространяются в движении).
@tparker Это также причина, по которой нет смысла пытаться иметь цветовое зрение ночью - даже если бы ваш глаз мог удерживать все эти 176 фотонов одновременно (а он не может - это было бы больше похоже на 7), каждый из них будет иметь фактически случайную длину волны (поскольку белый свет представляет собой смесь всех длин волн). Лучшее, что вы увидите, — это смехотворный цветовой шум (и действительно, многие люди с плохим ночным зрением действительно ошеломлены таким случайным цветовым шумом, который затемняет приличное изображение в градациях серого). Именно поэтому светодиоды кажутся такими яркими ночью — они в основном монохроматические.
+1. Хотя вы предполагаете всего 1 глаз, в то время как в упомянутой статье предполагается 2.

Хорошее зрение требует большего, чем обнаружение фотонов. Также нужно знать, откуда они берутся.

Обнаружение одиночных фотонов дает очень смутное впечатление, что где-то есть какой-то свет. С несколькими сотнями фотонов вы получите очень приблизительное направление, но все же недостаточно, чтобы на самом деле отличить мышь от камня.

Глаза человека имеют два типа фоторецепторов : колбочки и палочки. (Есть и третий тип, но он не имеет отношения к данному обсуждению)

Колбочки дают нам очень детальное дневное цветовое зрение. Они не работают при слабом освещении.

Жезлы дают нам ночное зрение с низким разрешением и оттенками серого. Они могут обнаруживать одиночные фотоны, но часть «низкого разрешения» делает нас проигравшими в соревновании ночного видения.

Что еще хуже, в центральной части глаза есть только колбочки, а не палочки. Это означает, что если вы смотрите прямо на что-то ночью, вы увидите очень мало.

@Penangol предполагает, что обнаружение инфракрасного излучения дает преимущество ночного видения. Хотя это правда, статья в Википедии, которую вы цитируете, похоже, указывает на то, что это редкая адаптация у животных.

Как другие животные могут иметь лучшее ночное зрение, чем люди, которые могут обнаруживать отдельные фотоны?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v