人眼能直接看到光子吗

时间：2022-12-29

实际上，光子是人类唯一可以直接看到的东西

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人类眼睛能直接看到光子，这是不容置疑的。实际上，光子是人类唯一可以直接看到的东西。人眼专门设计用于检测光。当光子进入眼睛，并被覆盖在眼睛内背面的视网膜的视杆或视锥细胞之一吸收时，就会发生这种情况。

当您看着椅子时，实际上并没有看到椅子。您会看到一束光子从椅子上反射出来。在反射离开椅子的过程中，这些光子以类似于椅子的图案排列。当光子撞击您的视网膜时，您的视锥细胞和视杆细胞会检测到该模式并将其发送到您的大脑。这样，当你真正看着一堆排列在椅子图案中的光子时，你的大脑就认为它看着一把椅子。

您的眼睛可以看到一束光子，但是可以看到一个孤立的光子吗？眼睛中的每个视杆细胞确实能够检测单个孤立的光子。但是，只有在相邻的视杆细胞中大约同时检测到几个光子时，眼睛中的神经电路才会将信号传递到大脑。因此，即使您的眼睛能够检测到单个孤立的光子，您的大脑也无法感知。如果可能的话，一个孤立的光子将看起来像是在一点上短暂的亮度闪烁。我们之所以知道这一点，是因为灵敏的相机传感器确实能够检测和处理孤立的光子，并且光子看起来就像是在单个点上的短暂闪光。

光子具有几个属性，并且每个属性都携带有关创建光子的源或与光子交互的最后一个对象的信息。携带信息的光子的基本属性是颜色（即频率）、自旋（即偏振）、位置、传播方向和波相位。光子还具有许多其他性质，例如能量、波长、动量和波数；但这些都取决于频率，因此不会携带任何其他信息。

另外，当存在许多光子时，信息可以由光子的数量（即亮度）来携带。当一堆光子从椅子反射回来时，这些光子会形成颜色、自旋、位置、方向、波相位和亮度的图案，其中包含有关椅子的信息。使用适当的工具，可以分析每种模式，以获取有关椅子的信息。人眼旨在检测一堆光子的颜色、位置、方向和亮度模式，但不能检测自旋或波相位。

通过具有三种不同类型的视锥细胞（每个视锥细胞具有不同的色敏范围）来检测眼睛中的颜色信息。一种类型的灵敏度范围以红色为中心，另一种类型的灵敏度范围以绿色为中心，另一种类型的灵敏度范围以蓝色为中心。通过比较这三种不同类型的视锥细胞的相对激活，眼睛可以看到可见光谱中的几乎所有颜色。

例如，当您看着黄色的郁金香时，黄色的光子就会流入您的眼睛并击中红色、绿色和蓝色的视锥细胞。黄色光子仅触发红色和绿色视锥细胞，您的大脑将红色加绿色解释为黄色。与视锥细胞相比，只有一种类型的视杆细胞，因此视杆细胞只能检测亮度，而不能检测颜色。视杆细胞主要用于光线不足的环境。

通过使视锥细胞和视杆细胞分布在沿视网膜的不同位置来检测眼睛中的位置信息。存在于不同位置的不同光子将触发不同的细胞。这样，视网膜直接检测光子位置的空间模式。请注意，光子可能来自许多不同的方向，并且一起模糊。因此，眼睛的前部有一堆透镜，仅将光线聚焦到某个单元格，该单元格来自被查看对象上的单个点。

镜头在从视网膜上光子的位置信息中提取有关正在查看的对象的位置信息中起着至关重要的作用。如果镜头发生故障，视网膜上的光子位置将不再与被观察物体上的点位置完全对应，并且图像最终会变得模糊。注意，人类光学系统只能直接成像光子二维位置信息。人类使用各种视觉技巧间接提取有关三维的信息，主要技巧是使用两只彼此略微偏移的眼睛。

方向信息只能由人类粗略地检测出来，方法是让大脑跟踪眼睛的指向方式，并让眼睛从许多不同的角度看待物体。例如，一间房间的一面墙涂成红色而另一面墙涂成蓝色，则一面墙发出的红色光子朝一个方向发射，另一面墙发出的蓝色光子朝相反的方向发射。在房间中的给定点处，该点处的一堆光子包括沿相反方向传播的红色光子和蓝色光子。但是，人类只能通过转动头部并分析两个不同的视图来推断他的大脑跟踪他的方向，从而推断出红色和蓝色的光子朝着不同的方向传播（因此推断出红色和蓝色的光子在不同的位置）。

图注：视锥细胞是人眼感觉色彩的细胞，缺少某些视锥细胞会导致色盲或者色弱。通过测量在一定的时间增量内有多少光子撞击视网膜的某个区域，视网膜可以直接提取亮度信息。视杆细胞和视锥细胞都可以收集亮度信息。

由于人眼最终只能看到光子，因此光机（光产生机器）可以通过重新创建正确的光子图案（如果该光子确实存在）而使该物体看起来像是存在的。例如，如果我们创建一个光子集合，并使其具有与椅子真正存在时存在的光子集合相同的模式，则可以使它看起来像是一个椅子。计算机显示屏就是这么做的，照相机捕获来自椅子的光子中的图案，并将信息存储为电信号。然后，计算机屏幕会使用此信息来重新创建光子集合，您会看到椅子的图片。

但是，标准计算机屏幕只能指定它们创建的光子的颜色、亮度和二维位置。因此，计算机屏幕上的物理对象的图像是二维的，并不完全逼真。有很多技巧可用来向人类传达信息的三维空间，包括3D电影院中使用的偏光眼镜和某些书皮上使用的双凸透镜。但是，此类系统通常并不完全逼真，因为它们实际上不会重新创建完整的三维光子场。这意味着只能从一个视角观察对象的这种“3D”重现，并不完全逼真再现。有人发现，由于此类“3D”系统使用视觉技巧是不完整的三维光子场，因此这些系统使他们感到头痛和恶心。

相比之下，全息投影仪更接近于重建来自物体的完整三维光子场。因此，全息图看起来更加逼真，并且可以像真实物体一样从许多不同角度进行查看。然而，目前，真正的全息图不能有效地再现颜色信息。请注意，许多声称为全息图的彩色准确图像实际上是平面图像，并添加了使它们看起来有点三维的技巧。直到全息图能够准确地重新创建颜色信息，才能实现物理对象的完全真实的光子重现。

图注：全息图像；人眼看不到的光子的两个特性是自旋（即偏振）和波相位。请注意，在适当的条件下，某些人可以检测到整个光束的整体偏振状态。但肉眼无法直接看到偏振模式。通过观察可旋转的偏振滤镜，将偏振信息转换为颜色强度信息，训练有素的人可以学会间接地看到来自物体的光子的偏振模式。

光弹性方法就是这方面的一个例子，该方法使人们可以看到某些物体上的机械应力。

与人类相反，诸如蜜蜂和章鱼之类的某些动物确实可以直接看到光子集合的偏振模式。例如，蜜蜂可以看到白天天空中存在的自然极化模式，并将其用于定向目的。人也不能直接检测光子波相位，但是可以通过称为干涉仪的机器检测光子波相位。相位信息通常用于确定反射面的平面度。

图注：蜜蜂眼睛能感知光子的偏振；总而言之，人类确实可以看到光子。人类可以看到除了自旋和波动相位光子的所有特性。由于光子以创建它们的源或与之相互作用的最后一个对象所指示的模式行进，因此我们通常根本不知道我们在看光子。

相反，我们认为我们正在研究正在创建和散射光子的物理对象。现在，您可能想问：“人类可以像看到椅子一样看到光子吗？”同样，我们可以看到椅子，因为光子以某种代表椅子的模式从椅子上反射而进入我们的眼睛。为了以与看到椅子相同的方式看到光子，您必须使一堆光子从您试图“看到”的一个光子上反射，然后让这堆光子进入您的眼睛。