Fala sobre as incríveis propriedades da nossa visão - desde a capacidade de ver galáxias distantes até a capacidade de capturar ondas de luz aparentemente invisíveis.

Olhe ao redor da sala em que você está – o que você vê? Paredes, janelas, objetos coloridos - tudo isso parece tão familiar e dado como certo. É fácil esquecer que vemos o mundo ao nosso redor apenas graças aos fótons - partículas de luz refletidas nos objetos e atingindo a retina.

Existem aproximadamente 126 milhões de células sensíveis à luz na retina de cada um dos nossos olhos. O cérebro decifra as informações recebidas dessas células sobre a direção e a energia dos fótons que incidem sobre elas e as transforma em uma variedade de formas, cores e intensidade de iluminação dos objetos ao redor.

A visão humana tem seus limites. Assim, não somos capazes de ver as ondas de rádio emitidas por dispositivos eletrônicos, nem de ver as menores bactérias a olho nu.

Graças aos avanços da física e da biologia, os limites da visão natural podem ser determinados. “Cada objeto que vemos tem um certo ‘limiar’ abaixo do qual deixamos de reconhecê-lo”, diz Michael Landy, professor de psicologia e neurobiologia na Universidade de Nova York.

Consideremos primeiro este limiar em termos da nossa capacidade de distinguir cores – talvez a primeira capacidade que nos vem à mente em relação à visão.

Nossa capacidade de distinguir, por exemplo, a cor violeta da magenta está relacionada ao comprimento de onda dos fótons que atingem a retina. Existem dois tipos de células sensíveis à luz na retina - bastonetes e cones. Os cones são responsáveis ​​pela percepção das cores (a chamada visão diurna), e os bastonetes nos permitem ver tons de cinza com pouca luz - por exemplo, à noite (visão noturna).

O olho humano possui três tipos de cones e um número correspondente de tipos de opsinas, cada um dos quais é particularmente sensível a fótons com uma faixa específica de comprimentos de onda de luz.

Os cones do tipo S são sensíveis à porção azul-violeta de comprimento de onda curto do espectro visível; Os cones do tipo M são responsáveis ​​pelo verde-amarelo (comprimento de onda médio) e os cones do tipo L são responsáveis ​​pelo amarelo-vermelho (comprimento de onda longo).

Todas essas ondas, bem como suas combinações, nos permitem ver toda a gama de cores do arco-íris. “Todas as fontes de luz visível humana, com exceção de algumas artificiais (como um prisma refrativo ou laser), emitem uma mistura de comprimentos de onda de diferentes comprimentos de onda”, diz Landy.

De todos os fótons existentes na natureza, nossos cones são capazes de detectar apenas aqueles caracterizados por comprimentos de onda em uma faixa muito estreita (geralmente de 380 a 720 nanômetros) - isso é chamado de espectro de radiação visível. Abaixo desta faixa estão os espectros infravermelho e de rádio - os comprimentos de onda dos fótons de baixa energia deste último variam de milímetros a vários quilômetros.

Do outro lado da faixa de comprimento de onda visível está o espectro ultravioleta, seguido pelos raios X e, em seguida, o espectro de raios gama com fótons cujos comprimentos de onda são inferiores a trilionésimos de metro.

Embora a maioria de nós tenha visão limitada no espectro visível, as pessoas com afacia – a ausência do cristalino no olho (como resultado de uma cirurgia de catarata ou, menos comumente, um defeito de nascença) – são capazes de ver comprimentos de onda ultravioleta.

Em um olho saudável, o cristalino bloqueia as ondas ultravioleta, mas na sua ausência, uma pessoa é capaz de perceber ondas de até cerca de 300 nanômetros de comprimento como uma cor branco-azulada.

Um estudo de 2014 observa que, em certo sentido, todos podemos ver fótons infravermelhos. Se dois desses fotões atingirem a mesma célula da retina quase simultaneamente, a sua energia pode aumentar, transformando ondas invisíveis de, digamos, 1000 nanómetros num comprimento de onda visível de 500 nanómetros (a maioria de nós percebe ondas deste comprimento como uma cor verde fria). .

Quantas cores vemos?

Existem três tipos de cones no olho humano saudável, cada um deles capaz de distinguir cerca de 100 tons de cores diferentes. Por esta razão, a maioria dos investigadores estima o número de cores que podemos distinguir em cerca de um milhão. No entanto, a percepção das cores é muito subjetiva e individual.

Jameson sabe do que está falando. Ela estuda a visão dos tetracromatas - pessoas com habilidades verdadeiramente sobre-humanas para distinguir cores. A tetracromacia é rara e ocorre na maioria dos casos em mulheres. Como resultado de uma mutação genética, eles possuem um quarto tipo adicional de cone, que lhes permite, segundo estimativas aproximadas, ver até 100 milhões de cores. (Pessoas daltônicas, ou dicromatas, têm apenas dois tipos de cones - elas não conseguem distinguir mais de 10.000 cores.)

Quantos fótons precisamos para ver uma fonte de luz?

Em geral, os cones requerem muito mais luz para funcionar de maneira ideal do que os bastonetes. Por isso, com pouca luz, nossa capacidade de distinguir cores diminui, e os bastonetes são levados a trabalhar, proporcionando visão em preto e branco.

Em condições laboratoriais ideais, em áreas da retina onde os bastonetes estão praticamente ausentes, os cones podem ser ativados por apenas alguns fótons. No entanto, as varinhas fazem um trabalho ainda melhor ao registrar até mesmo a luz mais fraca.

Como mostram os primeiros experimentos realizados na década de 1940, um quantum de luz é suficiente para que nossos olhos o vejam. "Uma pessoa pode ver um único fóton. Simplesmente não faz sentido que a retina seja mais sensível", diz Brian Wandell, professor de psicologia e engenharia elétrica na Universidade de Stanford.

Em 1941, pesquisadores da Universidade de Columbia conduziram um experimento - eles levaram os sujeitos para um quarto escuro e deram aos olhos um certo tempo para se adaptarem. As hastes requerem vários minutos para atingir a sensibilidade total; É por isso que quando apagamos as luzes de uma sala, perdemos a capacidade de ver qualquer coisa por um tempo.

Uma luz azul esverdeada piscante foi então direcionada para os rostos dos sujeitos. Com uma probabilidade superior ao acaso normal, os participantes do experimento registraram um flash de luz quando apenas 54 fótons atingiram a retina.

Nem todos os fótons que chegam à retina são detectados pelas células sensíveis à luz. Levando isso em consideração, os cientistas chegaram à conclusão de que apenas cinco fótons ativando cinco bastonetes diferentes na retina são suficientes para que uma pessoa veja um flash.

Objetos visíveis menores e mais distantes

O seguinte fato pode surpreendê-lo: nossa capacidade de ver um objeto não depende em nada de seu tamanho físico ou distância, mas de pelo menos alguns fótons emitidos por ele atingirem nossa retina.

"A única coisa que o olho precisa para ver algo é uma certa quantidade de luz emitida ou refletida pelo objeto", diz Landy. "Tudo se resume ao número de fótons que atingem a retina. Não importa quão pequena seja a fonte de luz, mesmo que exista por uma fração de segundo, ainda podemos vê-lo se emitir fótons suficientes."

Os livros didáticos de psicologia geralmente contêm a afirmação de que em uma noite escura e sem nuvens, a chama de uma vela pode ser vista a uma distância de até 48 km. Na realidade, a nossa retina é constantemente bombardeada por fotões, de modo que um único quantum de luz emitido a uma grande distância é simplesmente perdido no seu fundo.

Para ter uma ideia de até onde podemos ver, vamos olhar para o céu noturno, pontilhado de estrelas. O tamanho das estrelas é enorme; muitos daqueles que vemos a olho nu atingem milhões de quilômetros de diâmetro.

No entanto, mesmo as estrelas mais próximas de nós estão localizadas a uma distância de mais de 38 biliões de quilómetros da Terra, pelo que os seus tamanhos aparentes são tão pequenos que os nossos olhos não são capazes de distingui-las.

Por outro lado, ainda observamos estrelas na forma de fontes pontuais de luz brilhantes, pois os fótons por elas emitidos superam as distâncias gigantescas que nos separam e pousam em nossa retina.

Todas as estrelas individuais visíveis no céu noturno estão localizadas em nossa galáxia, a Via Láctea. O objeto mais distante de nós que uma pessoa pode ver a olho nu está localizado fora da Via Láctea e é um aglomerado de estrelas - esta é a Nebulosa de Andrômeda, localizada a uma distância de 2,5 milhões de anos-luz, ou 37 quintilhões de km, de o sol. (Algumas pessoas afirmam que em noites particularmente escuras, a sua visão aguçada lhes permite ver a Galáxia do Triângulo, localizada a cerca de 3 milhões de anos-luz de distância, mas deixam esta afirmação para a sua consciência.)

A nebulosa de Andrômeda contém um trilhão de estrelas. Devido à grande distância, todas essas luminárias se fundem para nós em um ponto de luz quase invisível. Além disso, o tamanho da Nebulosa de Andrômeda é colossal. Mesmo a uma distância tão gigantesca, o seu tamanho angular é seis vezes o diâmetro da Lua cheia. No entanto, tão poucos fótons desta galáxia chegam até nós que quase não são visíveis no céu noturno.

Limite de acuidade visual

Por que não conseguimos ver estrelas individuais na Nebulosa de Andrômeda? O fato é que a resolução, ou acuidade visual, tem suas limitações. (Acuidade visual refere-se à capacidade de distinguir elementos como um ponto ou linha como objetos separados que não se misturam com objetos adjacentes ou com o fundo.)

Na verdade, a acuidade visual pode ser descrita da mesma forma que a resolução de um monitor de computador - no tamanho mínimo de pixels que ainda conseguimos distinguir como pontos individuais.

As limitações na acuidade visual dependem de vários fatores, como a distância entre os cones e bastonetes individuais da retina. Um papel igualmente importante é desempenhado pelas características ópticas do próprio globo ocular, devido às quais nem todos os fótons atingem a célula sensível à luz.

Em teoria, a investigação mostra que a nossa acuidade visual é limitada à capacidade de distinguir cerca de 120 pixels por grau angular (uma unidade de medida angular).

Uma ilustração prática dos limites da acuidade visual humana pode ser um objeto localizado à distância de um braço, do tamanho de uma unha, com 60 linhas horizontais e 60 verticais de cores alternadas brancas e pretas aplicadas a ele, formando uma aparência de tabuleiro de xadrez. “Aparentemente, este é o menor padrão que o olho humano ainda consegue discernir”, diz Landy.

As tabelas utilizadas pelos oftalmologistas para testar a acuidade visual baseiam-se neste princípio. A tabela mais famosa da Rússia, Sivtsev, consiste em fileiras de letras maiúsculas pretas sobre fundo branco, cujo tamanho da fonte diminui a cada fileira.

A acuidade visual de uma pessoa é determinada pelo tamanho da fonte, na qual ela deixa de ver claramente os contornos das letras e começa a confundi-las.

É o limite da acuidade visual que explica o facto de não conseguirmos ver a olho nu uma célula biológica cujas dimensões são de apenas alguns micrómetros.

Mas não há necessidade de lamentar por isso. A capacidade de distinguir um milhão de cores, capturar fótons únicos e ver galáxias a vários quintilhões de quilômetros de distância é um resultado bastante bom, considerando que nossa visão é fornecida por um par de bolas gelatinosas nas órbitas oculares, conectadas a uma massa porosa de 1,5 kg. no crânio.

Desde ver galáxias distantes a anos-luz de distância até perceber cores invisíveis, Adam Hadhazy, da BBC, explica por que seus olhos podem fazer coisas incríveis. Dê uma olhada ao redor. O que você vê? Todas essas cores, paredes, janelas, tudo parece óbvio, como se aqui fosse assim. A ideia de que vemos tudo isso graças a partículas de luz – fótons – que ricocheteiam nesses objetos e entram em nossos olhos parece incrível.

Este bombardeio de fótons é absorvido por aproximadamente 126 milhões de células sensíveis à luz. Diferentes direções e energias dos fótons são transmitidas ao nosso cérebro em diferentes formas, cores, brilhos, enchendo nosso mundo multicolorido de imagens.

A nossa notável visão tem obviamente uma série de limitações. Não conseguimos ver as ondas de rádio provenientes dos nossos dispositivos eletrónicos, não conseguimos ver as bactérias debaixo do nosso nariz. Mas com os avanços da física e da biologia, podemos identificar as limitações fundamentais da visão natural. “Tudo o que você consegue discernir tem um limite, um nível mais baixo, acima e abaixo do qual você não consegue ver”, diz Michael Landy, professor de neurociência na Universidade de Nova York.

Vamos começar a olhar para esses limiares visuais através das lentes – perdoem o trocadilho – que muitos associam à visão em primeiro lugar: a cor.

O motivo pelo qual vemos o roxo e não o marrom depende da energia, ou comprimento de onda, dos fótons que atingem a retina, localizada na parte posterior do globo ocular. Existem dois tipos de fotorreceptores, bastonetes e cones. Os cones são responsáveis ​​pela cor e os bastonetes nos permitem ver tons de cinza em condições de pouca luz, como à noite. As opsinas, ou moléculas de pigmento, nas células da retina absorvem a energia eletromagnética dos fótons incidentes, gerando um impulso elétrico. Esse sinal viaja pelo nervo óptico até o cérebro, onde nasce a percepção consciente de cores e imagens.

Temos três tipos de cones e opsinas correspondentes, cada um dos quais é sensível a fótons de um comprimento de onda específico. Esses cones são designados S, M e L (comprimentos de onda curto, médio e longo, respectivamente). Percebemos as ondas curtas como azuis e as ondas longas como vermelhas. Os comprimentos de onda intermediários e suas combinações tornam-se um arco-íris completo. “Toda a luz que vemos, a menos que seja criada artificialmente com prismas ou dispositivos inteligentes como lasers, é uma mistura de diferentes comprimentos de onda”, diz Landy.

De todos os comprimentos de onda possíveis de um fóton, nossos cones detectam uma pequena banda de 380 a 720 nanômetros – o que chamamos de espectro visível. Além do nosso espectro perceptivo, existe o espectro infravermelho e o espectro de rádio, este último tendo um comprimento de onda que varia de um milímetro a um quilômetro de comprimento.

Acima do nosso espectro visível, em energias mais altas e comprimentos de onda mais curtos, encontramos o espectro ultravioleta, depois os raios X e no topo o espectro dos raios gama, cujos comprimentos de onda atingem um trilionésimo de metro.

Embora a maioria de nós esteja limitada ao espectro visível, as pessoas com afacia (falta de lente) podem ver no espectro ultravioleta. A afacia geralmente é criada devido à remoção cirúrgica de catarata ou defeitos congênitos. Normalmente, a lente bloqueia a luz ultravioleta, portanto, sem ela, as pessoas podem ver além do espectro visível e perceber comprimentos de onda de até 300 nanômetros em uma tonalidade azulada.

Um estudo de 2014 descobriu que, relativamente falando, todos podemos ver fótons infravermelhos. Se dois fótons infravermelhos atingirem acidentalmente uma célula da retina quase simultaneamente, sua energia se combinará, convertendo seu comprimento de onda de invisível (digamos, 1.000 nanômetros) para visível de 500 nanômetros (uma cor verde fria para a maioria dos olhos).

Um olho humano saudável tem três tipos de cones, cada um dos quais pode distinguir cerca de 100 tons diferentes de cor, por isso a maioria dos investigadores concorda que os nossos olhos conseguem distinguir cerca de um milhão de tons no total. No entanto, a percepção das cores é uma habilidade bastante subjetiva que varia de pessoa para pessoa, tornando difícil definir números exatos.

“É muito difícil colocar isso em números”, diz Kimberly Jamison, cientista pesquisadora da Universidade da Califórnia, Irvine. “O que uma pessoa vê pode ser apenas parte das cores que outra pessoa vê.”

Jamison sabe do que está falando porque trabalha com “tetracromatas” – pessoas com visão “sobre-humana”. Esses indivíduos raros, principalmente mulheres, têm uma mutação genética que lhes confere quartos cones extras. Grosso modo, graças ao quarto conjunto de cones, os tetracromatas podem ver 100 milhões de cores. (Pessoas com daltonismo, dicromatas, têm apenas dois tipos de cones e veem aproximadamente 10.000 cores.)

Quantos fótons mínimos precisamos ver?

Para que a visão de cores funcione, os cones normalmente precisam de muito mais luz do que seus equivalentes em bastonetes. Portanto, em condições de pouca luz, a cor “desaparece” à medida que os bastões monocromáticos ganham destaque.

Em condições laboratoriais ideais e em áreas da retina onde os bastonetes estão praticamente ausentes, os cones podem ser ativados por apenas um punhado de fótons. Ainda assim, os bastões têm melhor desempenho em condições de luz difusa. Como mostraram experiências na década de 1940, um quantum de luz é suficiente para atrair a nossa atenção. “As pessoas podem responder a um único fóton”, diz Brian Wandell, professor de psicologia e engenharia elétrica em Stanford. “Não faz sentido ser ainda mais sensível.”

Em 1941, pesquisadores da Universidade de Columbia sentaram as pessoas em uma sala escura e deixaram seus olhos se ajustarem. As hastes levaram vários minutos para atingir a sensibilidade total – e é por isso que temos dificuldade em enxergar quando as luzes se apagam repentinamente.

Os cientistas então lançaram uma luz azul esverdeada na frente dos rostos dos sujeitos. Num nível acima do acaso estatístico, os participantes foram capazes de detectar a luz quando os primeiros 54 fótons atingiram seus olhos.

Depois de compensar a perda de fótons através da absorção por outros componentes do olho, os cientistas descobriram que cinco fótons ativaram cinco bastonetes separados que deram aos participantes a sensação de luz.

Qual é o limite da menor e mais distante coisa que podemos ver?

Este fato pode surpreendê-lo: não há limite inerente para a menor ou mais distante coisa que podemos ver. Desde que objetos de qualquer tamanho, a qualquer distância, transmitam fótons às células da retina, podemos vê-los.

“Tudo o que importa aos olhos é a quantidade de luz que atinge os olhos”, diz Landy. - Número total de fótons. Você pode tornar a fonte de luz ridiculamente pequena e distante, mas se ela estiver emitindo fótons poderosos, você a verá."

Por exemplo, a crença popular diz que numa noite escura e clara podemos ver a luz de uma vela a uma distância de 48 quilómetros. Na prática, é claro, nossos olhos serão simplesmente banhados por fótons, de modo que quanta de luz errante de grandes distâncias simplesmente se perderá nessa bagunça. “Quando você aumenta a intensidade do fundo, a quantidade de luz necessária para ver algo aumenta”, diz Landy.

O céu noturno, com o seu fundo escuro pontilhado de estrelas, fornece um exemplo impressionante do alcance da nossa visão. As estrelas são enormes; muitos dos que vemos no céu noturno têm milhões de quilômetros de diâmetro. Mas mesmo as estrelas mais próximas estão a pelo menos 24 biliões de quilómetros de distância de nós e, portanto, são tão pequenas aos nossos olhos que não podem ser vistas. E ainda assim os vemos como poderosos pontos emissores de luz à medida que os fótons viajam através de distâncias cósmicas e chegam aos nossos olhos.

Todas as estrelas individuais que vemos no céu noturno estão localizadas em nossa galáxia - a Via Láctea. O objeto mais distante que podemos ver a olho nu está fora da nossa galáxia: a Galáxia de Andrômeda, localizada a 2,5 milhões de anos-luz de distância. (Embora isso seja controverso, alguns indivíduos afirmam que podem ver a Galáxia do Triângulo em um céu noturno extremamente escuro, e ela está a três milhões de anos-luz de distância, basta acreditar na palavra deles).

Os trilhões de estrelas da Galáxia de Andrômeda, dada a distância até ela, se confundem em uma mancha vaga e brilhante do céu. E ainda assim seu tamanho é colossal. Em termos de tamanho aparente, mesmo a quintilhões de quilômetros de distância, esta galáxia é seis vezes maior que a Lua cheia. No entanto, tão poucos fótons chegam aos nossos olhos que este monstro celestial é quase invisível.

Quão nítida pode ser a visão?

Por que não conseguimos distinguir estrelas individuais na Galáxia de Andrômeda? Os limites da nossa resolução visual, ou acuidade visual, impõem as suas limitações. A acuidade visual é a capacidade de distinguir detalhes como pontos ou linhas separadamente uns dos outros para que não se confundam. Assim, podemos pensar nos limites da visão como o número de “pontos” que podemos distinguir.

Os limites da acuidade visual são definidos por vários fatores, como as distâncias entre os cones e bastonetes compactados na retina. Também importante é a própria ótica do globo ocular, que, como já dissemos, impede a penetração de todos os fótons possíveis nas células sensíveis à luz.

Em teoria, a pesquisa mostrou que o melhor que podemos ver é cerca de 120 pixels por grau de arco, uma unidade de medida angular. Você pode pensar nele como um tabuleiro de xadrez preto e branco de 60 por 60 que cabe na unha de uma mão estendida. “É o padrão mais claro que você pode ver”, diz Landy.

Um teste de visão, como um gráfico com letras minúsculas, segue os mesmos princípios. Esses mesmos limites de acuidade explicam por que não podemos distinguir e focar em uma única célula biológica escura com vários micrômetros de largura.

Mas não se desconsidere. Um milhão de cores, fótons únicos, mundos galácticos a quantilhões de quilômetros de distância - nada mal para uma bolha de gelatina em nossas órbitas oculares conectada a uma esponja de 1,4 kg em nossos crânios.

A superfície da Terra se curva e desaparece de vista a uma distância de 5 quilômetros. Mas a nossa acuidade visual permite-nos ver muito além do horizonte. Se a Terra fosse plana, ou se você estivesse no topo de uma montanha e olhasse para uma área do planeta muito maior do que o normal, seria capaz de ver luzes brilhantes a centenas de quilômetros de distância. Em uma noite escura, era possível até ver a chama de uma vela localizada a 48 quilômetros de distância.

A distância que o olho humano pode ver depende de quantas partículas de luz, ou fótons, são emitidas por um objeto distante. O objeto mais distante visível a olho nu é a Nebulosa de Andrômeda, localizada a uma enorme distância de 2,6 milhões de anos-luz da Terra. O um bilião de estrelas da galáxia emitem luz suficiente no total para fazer com que vários milhares de fotões atinjam cada centímetro quadrado da superfície da Terra a cada segundo. Numa noite escura, essa quantidade é suficiente para ativar a retina.

Em 1941, o cientista da visão Selig Hecht e os seus colegas da Universidade de Columbia fizeram o que ainda é considerado uma medida fiável do limiar visual absoluto – o número mínimo de fotões que devem atingir a retina para produzir consciência visual. O experimento estabeleceu o limite em condições ideais: os olhos dos participantes tiveram tempo para se ajustarem totalmente à escuridão absoluta, o flash de luz azul esverdeado que atuava como estímulo tinha um comprimento de onda de 510 nanômetros (ao qual os olhos são mais sensíveis), e a luz era direcionada para a borda periférica da retina, preenchida com bastonetes sensíveis à luz.

Segundo os cientistas, para que os participantes do experimento pudessem reconhecer tal flash de luz em mais da metade dos casos, de 54 a 148 fótons tiveram que atingir o globo ocular. Com base em medições de absorção da retina, os cientistas estimam que, em média, 10 fótons são realmente absorvidos pelos bastonetes da retina humana. Assim, a absorção de 5 a 14 fótons ou, respectivamente, a ativação de 5 a 14 bastonetes indica ao cérebro que você está vendo algo.

“Este é realmente um número muito pequeno de reações químicas”, observaram Hecht e seus colegas em um artigo sobre o experimento.

Levando em consideração o limiar absoluto, o brilho da chama de uma vela e a distância estimada em que um objeto luminoso escurece, os cientistas concluíram que uma pessoa poderia discernir o leve brilho da chama de uma vela a uma distância de 48 quilômetros.

Mas a que distância podemos reconhecer que um objeto é mais do que apenas um lampejo de luz? Para que um objeto pareça espacialmente estendido e não pontual, a luz dele deve ativar pelo menos dois cones retinais adjacentes – as células responsáveis ​​pela visão das cores. Sob condições ideais, um objeto deve estar em um ângulo de pelo menos 1 minuto de arco, ou um sexto de grau, para excitar cones adjacentes. Esta medida angular permanece a mesma quer o objeto esteja próximo ou distante (o objeto distante deve ser muito maior para estar no mesmo ângulo que o objeto próximo). A Lua Cheia fica em um ângulo de 30 minutos de arco, enquanto Vênus é pouco visível como um objeto estendido em um ângulo de cerca de 1 minuto de arco.

Objetos do tamanho de uma pessoa são distinguíveis quando se estendem a uma distância de apenas cerca de 3 quilômetros. Em comparação a esta distância poderíamos distinguir claramente os dois

A superfície da Terra se curva e desaparece de vista a uma distância de 5 quilômetros. Mas a nossa acuidade visual permite-nos ver muito além do horizonte. Se a Terra fosse plana, ou se você estivesse no topo de uma montanha e olhasse para uma área do planeta muito maior do que o normal, seria capaz de ver luzes brilhantes a centenas de quilômetros de distância. Em uma noite escura, era possível até ver a chama de uma vela localizada a 48 quilômetros de distância.

A distância que o olho humano pode ver depende de quantas partículas de luz, ou fótons, são emitidas por um objeto distante. O objeto mais distante visível a olho nu é a Nebulosa de Andrômeda, localizada a uma enorme distância de 2,6 milhões de anos-luz da Terra. O um bilião de estrelas da galáxia emitem luz suficiente no total para fazer com que vários milhares de fotões atinjam cada centímetro quadrado da superfície da Terra a cada segundo. Numa noite escura, essa quantidade é suficiente para ativar a retina.

Em 1941, o cientista da visão Selig Hecht e os seus colegas da Universidade de Columbia fizeram o que ainda é considerado uma medida fiável do limiar visual absoluto – o número mínimo de fotões que devem atingir a retina para produzir consciência visual. O experimento estabeleceu o limite em condições ideais: os olhos dos participantes tiveram tempo para se ajustarem totalmente à escuridão absoluta, o flash de luz azul esverdeado que atuava como estímulo tinha um comprimento de onda de 510 nanômetros (ao qual os olhos são mais sensíveis), e a luz era direcionada para a borda periférica da retina, preenchida com bastonetes sensíveis à luz.

Segundo os cientistas, para que os participantes do experimento pudessem reconhecer tal flash de luz em mais da metade dos casos, de 54 a 148 fótons tiveram que atingir o globo ocular. Com base em medições de absorção da retina, os cientistas estimam que, em média, 10 fótons são realmente absorvidos pelos bastonetes da retina humana. Assim, a absorção de 5 a 14 fótons ou, respectivamente, a ativação de 5 a 14 bastonetes indica ao cérebro que você está vendo algo.

“Este é realmente um número muito pequeno de reações químicas”, observaram Hecht e seus colegas em um artigo sobre o experimento.

Levando em consideração o limiar absoluto, o brilho da chama de uma vela e a distância estimada em que um objeto luminoso escurece, os cientistas concluíram que uma pessoa poderia discernir o leve brilho da chama de uma vela a uma distância de 48 quilômetros.

Objetos do tamanho de uma pessoa são distinguíveis quando se estendem a uma distância de apenas cerca de 3 quilômetros. Em comparação, a essa distância, poderíamos distinguir claramente dois faróis de carro. Mas a que distância podemos reconhecer que um objeto é mais do que apenas um lampejo de luz? Para que um objeto pareça espacialmente estendido e não pontual, a luz dele deve ativar pelo menos dois cones retinais adjacentes - as células responsáveis ​​pela visão das cores. Sob condições ideais, um objeto deve estar em um ângulo de pelo menos 1 minuto de arco, ou um sexto de grau, para excitar cones adjacentes. Esta medida angular permanece a mesma quer o objeto esteja próximo ou distante (o objeto distante deve ser muito maior para estar no mesmo ângulo que o objeto próximo). A Lua Cheia fica em um ângulo de 30 minutos de arco, enquanto Vênus é pouco visível como um objeto estendido em um ângulo de cerca de 1 minuto de arco.

17 de agosto de 2015, 09h25

Convidamos você a aprender sobre as incríveis propriedades da nossa visão - desde a capacidade de ver galáxias distantes até a capacidade de capturar ondas de luz aparentemente invisíveis.

Olhe ao redor da sala em que você está – o que você vê? Paredes, janelas, objetos coloridos - tudo isso parece tão familiar e dado como certo. É fácil esquecer que vemos o mundo ao nosso redor apenas graças aos fótons - partículas de luz refletidas nos objetos e atingindo a retina.

Existem aproximadamente 126 milhões de células sensíveis à luz na retina de cada um dos nossos olhos. O cérebro decifra as informações recebidas dessas células sobre a direção e a energia dos fótons que incidem sobre elas e as transforma em uma variedade de formas, cores e intensidade de iluminação dos objetos ao redor.

A visão humana tem seus limites. Assim, não somos capazes de ver as ondas de rádio emitidas por dispositivos eletrônicos, nem de ver as menores bactérias a olho nu.

Graças aos avanços da física e da biologia, os limites da visão natural podem ser determinados. “Cada objeto que vemos tem um certo ‘limiar’ abaixo do qual deixamos de reconhecê-lo”, diz Michael Landy, professor de psicologia e neurobiologia na Universidade de Nova York.

Consideremos primeiro este limiar em termos da nossa capacidade de distinguir cores – talvez a primeira capacidade que nos vem à mente em relação à visão.

Nossa capacidade de distinguir, por exemplo, a cor violeta da magenta está relacionada ao comprimento de onda dos fótons que atingem a retina. Existem dois tipos de células sensíveis à luz na retina - bastonetes e cones. Os cones são responsáveis ​​pela percepção das cores (a chamada visão diurna), e os bastonetes nos permitem ver tons de cinza com pouca luz - por exemplo, à noite (visão noturna).

O olho humano possui três tipos de cones e um número correspondente de tipos de opsinas, cada um dos quais é particularmente sensível a fótons com uma faixa específica de comprimentos de onda de luz.

Os cones do tipo S são sensíveis à porção azul-violeta de comprimento de onda curto do espectro visível; Os cones do tipo M são responsáveis ​​pelo verde-amarelo (comprimento de onda médio) e os cones do tipo L são responsáveis ​​pelo amarelo-vermelho (comprimento de onda longo).

Todas essas ondas, bem como suas combinações, nos permitem ver toda a gama de cores do arco-íris. “Todas as fontes de luz visível humana, com exceção de algumas artificiais (como um prisma refrativo ou laser), emitem uma mistura de comprimentos de onda de diferentes comprimentos de onda”, diz Landy.

De todos os fótons existentes na natureza, nossos cones são capazes de detectar apenas aqueles caracterizados por comprimentos de onda em uma faixa muito estreita (geralmente de 380 a 720 nanômetros) - isso é chamado de espectro de radiação visível. Abaixo desta faixa estão os espectros infravermelho e de rádio - os comprimentos de onda dos fótons de baixa energia deste último variam de milímetros a vários quilômetros.

Do outro lado da faixa de comprimento de onda visível está o espectro ultravioleta, seguido pelos raios X e, em seguida, o espectro de raios gama com fótons cujos comprimentos de onda são inferiores a trilionésimos de metro.

Embora a maioria de nós tenha visão limitada no espectro visível, as pessoas com afacia – a ausência do cristalino no olho (como resultado de uma cirurgia de catarata ou, menos comumente, um defeito de nascença) – são capazes de ver comprimentos de onda ultravioleta.

Em um olho saudável, o cristalino bloqueia as ondas ultravioleta, mas na sua ausência, uma pessoa é capaz de perceber ondas de até cerca de 300 nanômetros de comprimento como uma cor branco-azulada.

Um estudo de 2014 observa que, em certo sentido, todos podemos ver fótons infravermelhos. Se dois desses fotões atingirem a mesma célula da retina quase simultaneamente, a sua energia pode aumentar, transformando ondas invisíveis de, digamos, 1000 nanómetros num comprimento de onda visível de 500 nanómetros (a maioria de nós percebe ondas deste comprimento como uma cor verde fria). .

Quantas cores vemos?

Existem três tipos de cones no olho humano saudável, cada um deles capaz de distinguir cerca de 100 tons de cores diferentes. Por esta razão, a maioria dos investigadores estima o número de cores que podemos distinguir em cerca de um milhão. No entanto, a percepção das cores é muito subjetiva e individual.

Jameson sabe do que está falando. Ela estuda a visão dos tetracromatas - pessoas com habilidades verdadeiramente sobre-humanas para distinguir cores. A tetracromacia é rara e ocorre na maioria dos casos em mulheres. Como resultado de uma mutação genética, eles possuem um quarto tipo adicional de cone, que lhes permite, segundo estimativas aproximadas, ver até 100 milhões de cores. (Pessoas daltônicas, ou dicromatas, têm apenas dois tipos de cones - elas não conseguem distinguir mais de 10.000 cores.)

Quantos fótons precisamos para ver uma fonte de luz?

Em geral, os cones requerem muito mais luz para funcionar de maneira ideal do que os bastonetes. Por isso, com pouca luz, nossa capacidade de distinguir cores diminui, e os bastonetes são levados a trabalhar, proporcionando visão em preto e branco.

Em condições laboratoriais ideais, em áreas da retina onde os bastonetes estão praticamente ausentes, os cones podem ser ativados por apenas alguns fótons. No entanto, as varinhas fazem um trabalho ainda melhor ao registrar até mesmo a luz mais fraca.

Como mostram os primeiros experimentos realizados na década de 1940, um quantum de luz é suficiente para que nossos olhos o vejam. "Uma pessoa pode ver um único fóton. Simplesmente não faz sentido que a retina seja mais sensível", diz Brian Wandell, professor de psicologia e engenharia elétrica na Universidade de Stanford.

Em 1941, pesquisadores da Universidade de Columbia conduziram um experimento - eles levaram os sujeitos para um quarto escuro e deram aos olhos um certo tempo para se adaptarem. As hastes requerem vários minutos para atingir a sensibilidade total; É por isso que quando apagamos as luzes de uma sala, perdemos a capacidade de ver qualquer coisa por um tempo.

Uma luz azul esverdeada piscante foi então direcionada para os rostos dos sujeitos. Com uma probabilidade superior ao acaso normal, os participantes do experimento registraram um flash de luz quando apenas 54 fótons atingiram a retina.

Nem todos os fótons que chegam à retina são detectados pelas células sensíveis à luz. Levando isso em consideração, os cientistas chegaram à conclusão de que apenas cinco fótons ativando cinco bastonetes diferentes na retina são suficientes para que uma pessoa veja um flash.

Objetos visíveis menores e mais distantes

O seguinte fato pode surpreendê-lo: nossa capacidade de ver um objeto não depende em nada de seu tamanho físico ou distância, mas de pelo menos alguns fótons emitidos por ele atingirem nossa retina.

"A única coisa que o olho precisa para ver algo é uma certa quantidade de luz emitida ou refletida pelo objeto", diz Landy. "Tudo se resume ao número de fótons que atingem a retina. Não importa quão pequena seja a fonte de luz, mesmo que exista por uma fração de segundo, ainda podemos vê-lo se emitir fótons suficientes."

Os livros didáticos de psicologia geralmente contêm a afirmação de que em uma noite escura e sem nuvens, a chama de uma vela pode ser vista a uma distância de até 48 km. Na realidade, a nossa retina é constantemente bombardeada por fotões, de modo que um único quantum de luz emitido a uma grande distância é simplesmente perdido no seu fundo.

Para ter uma ideia de até onde podemos ver, vamos olhar para o céu noturno, pontilhado de estrelas. O tamanho das estrelas é enorme; muitos daqueles que vemos a olho nu atingem milhões de quilômetros de diâmetro.

No entanto, mesmo as estrelas mais próximas de nós estão localizadas a uma distância de mais de 38 biliões de quilómetros da Terra, pelo que os seus tamanhos aparentes são tão pequenos que os nossos olhos não são capazes de distingui-las.

Por outro lado, ainda observamos estrelas na forma de fontes pontuais de luz brilhantes, pois os fótons por elas emitidos superam as distâncias gigantescas que nos separam e pousam em nossa retina.

Todas as estrelas individuais visíveis no céu noturno estão localizadas em nossa galáxia, a Via Láctea. O objeto mais distante de nós que uma pessoa pode ver a olho nu está localizado fora da Via Láctea e é um aglomerado de estrelas - esta é a Nebulosa de Andrômeda, localizada a uma distância de 2,5 milhões de anos-luz, ou 37 quintilhões de km, de o sol. (Algumas pessoas afirmam que em noites particularmente escuras, a sua visão aguçada lhes permite ver a Galáxia do Triângulo, localizada a cerca de 3 milhões de anos-luz de distância, mas deixam esta afirmação para a sua consciência.)

A nebulosa de Andrômeda contém um trilhão de estrelas. Devido à grande distância, todas essas luminárias se fundem para nós em um ponto de luz quase invisível. Além disso, o tamanho da Nebulosa de Andrômeda é colossal. Mesmo a uma distância tão gigantesca, o seu tamanho angular é seis vezes o diâmetro da Lua cheia. No entanto, tão poucos fótons desta galáxia chegam até nós que quase não são visíveis no céu noturno.

Limite de acuidade visual

Por que não conseguimos ver estrelas individuais na Nebulosa de Andrômeda? O fato é que a resolução, ou acuidade visual, tem suas limitações. (Acuidade visual refere-se à capacidade de distinguir elementos como um ponto ou linha como objetos separados que não se misturam com objetos adjacentes ou com o fundo.)

Na verdade, a acuidade visual pode ser descrita da mesma forma que a resolução de um monitor de computador - no tamanho mínimo de pixels que ainda conseguimos distinguir como pontos individuais.

As limitações na acuidade visual dependem de vários fatores, como a distância entre os cones e bastonetes individuais da retina. Um papel igualmente importante é desempenhado pelas características ópticas do próprio globo ocular, devido às quais nem todos os fótons atingem a célula sensível à luz.

Em teoria, a investigação mostra que a nossa acuidade visual é limitada à capacidade de distinguir cerca de 120 pixels por grau angular (uma unidade de medida angular).

Uma ilustração prática dos limites da acuidade visual humana pode ser um objeto localizado à distância de um braço, do tamanho de uma unha, com 60 linhas horizontais e 60 verticais de cores alternadas brancas e pretas aplicadas a ele, formando uma aparência de tabuleiro de xadrez. “Aparentemente, este é o menor padrão que o olho humano ainda consegue discernir”, diz Landy.

As tabelas utilizadas pelos oftalmologistas para testar a acuidade visual baseiam-se neste princípio. A tabela mais famosa da Rússia, Sivtsev, consiste em fileiras de letras maiúsculas pretas sobre fundo branco, cujo tamanho da fonte diminui a cada fileira.

A acuidade visual de uma pessoa é determinada pelo tamanho da fonte, na qual ela deixa de ver claramente os contornos das letras e começa a confundi-las.

É o limite da acuidade visual que explica o facto de não conseguirmos ver a olho nu uma célula biológica cujas dimensões são de apenas alguns micrómetros.

Mas não há necessidade de lamentar por isso. A capacidade de distinguir um milhão de cores, capturar fótons únicos e ver galáxias a vários quintilhões de quilômetros de distância é um resultado bastante bom, considerando que nossa visão é fornecida por um par de bolas gelatinosas nas órbitas oculares, conectadas a uma massa porosa de 1,5 kg. no crânio.