Можно ли увидеть один фотон?

Да. Фактически, фотоны — единственное, что люди могут видеть напрямую. Фотон — это немного света. Человеческие глаза специально созданы для обнаружения света. Это происходит, когда фотон попадает в глаз и поглощается одной из палочек или колбочек, покрывающих сетчатку на внутренней задней поверхности глаза.

Когда вы смотрите на стул, вы на самом деле не видите стул. Вы видите пучок фотонов, которые отразились от стула. В процессе отражения от стула эти фотоны выстраиваются по узору, напоминающему стул. Когда фотоны попадают в сетчатку, ваши колбочки и палочки обнаруживают эту закономерность и отправляют ее в мозг. Таким образом, ваш мозг думает, что смотрит на стул, тогда как на самом деле он смотрит на пучок фотонов, расположенных в виде стула.

Каждая палочка в глазу действительно способна обнаруживать единственный изолированный фотон. Однако нейронная схема в глазу передает сигнал в мозг только в том случае, если несколько фотонов обнаруживаются примерно в одно и то же время в соседних палочках.

Следовательно, даже если глаз способен обнаруживать одиночный изолированный фотон, мозг не способен его воспринимать. Если бы это было возможно, изолированный фотон выглядел бы как короткая вспышка яркости в одной точке. Мы знаем это, потому что чувствительный датчик камеры действительно способен обнаруживать и обрабатывать изолированный фотон, и этот фотон выглядит как короткая вспышка яркости в одной точке.

У фотона есть несколько свойств, и каждое из этих свойств несет информацию об источнике, создавшем фотон, или последнем объекте, который взаимодействовал с фотоном.

Основные свойства фотона, несущего информацию, — это цвет (то есть частота), спин (то есть поляризация), местоположение, направление распространения и фаза волны. Есть также много других свойств фотона; такие как энергия, длина волны, импульс и волновое число; но все они зависят от частоты и поэтому не несут никакой дополнительной информации.

Кроме того, когда присутствует много фотонов, информация может передаваться по количеству фотонов (т. е. яркости). Когда группа фотонов отражается от стула, фотоны образуют паттерны (шаблоны) цвета, вращения, местоположения, направления, фазы волны и яркости, которые содержат информацию о стуле.

С подходящими инструментами каждый из этих паттернов можно проанализировать, чтобы получить информацию о стуле. Человеческий глаз предназначен для определения цвета, местоположения, направления и яркости группы фотонов, но не для фазы вращения или волны.

Информация о цвете обнаруживается в глазу по трем различным типам колбочек, каждый из которых имеет свой диапазон цветовой чувствительности. Один из типов имеет диапазон чувствительности с центром в красном цвете, другой тип имеет диапазон с центром в зеленом цвете, а другой тип имеет диапазон с центром в синем.

Глаз может видеть почти все цвета в видимом спектре, сравнивая относительную активацию этих трех разных типов колбочек. Например, когда вы смотрите на желтый тюльпан, желтые фотоны проникают в ваш глаз и попадают в красные, зеленые и синие клетки колбочек. Только красные и зеленые клетки  активируются желтыми фотонами, и мозг интерпретирует красный плюс зеленый как желтый.

В отличие от колбочек, существует только один тип палочек, поэтому они могут определять только яркость, но не цвет. Палочки в основном используются в условиях низкой освещенности.

Информация о местонахождении обнаруживается в глазу благодаря тому, что клетки колбочек и палочек распространяются по разным участкам сетчатки. Различные фотоны, существующие в разных местах, будут запускать разные клетки. Таким образом, пространственная картина расположения фотонов непосредственно определяется сетчаткой.

Обратите внимание, что фотоны могут исходить из разных направлений и размываться вместе. По этой причине спереди глаз имеет стек линз, который фокусирует только свет на определенную клетку, которая исходит из одной точки на просматриваемом объекте. Линза играет важную роль в извлечении информации о местоположении наблюдаемого объекта из информации о местоположении фотонов на сетчатке.

Если линза выходит из строя, положение фотона на сетчатке больше не соответствует точкам на просматриваемом объекте, и изображение получается размытым. Обратите внимание, что человеческая оптическая система может напрямую отображать только два измерения информации о местоположении фотона.

Информация о третьем измерении косвенно извлекается людьми с помощью различных визуальных приемов (называемых «подсказками глубины»), основной прием заключается в использовании двух глаз, которые слегка смещены друг относительно друга.

Информация о направлении определяется людьми лишь грубо, когда мозг отслеживает, в какую сторону направлены глаза, и когда глаза смотрят на объект под разными углами. Например, в комнате с одной стеной, окрашенной в красный цвет, а противоположной стеной, окрашенной в синий цвет, красные фотоны от стены отлетают в одном направлении, а синие фотоны от другой стены в противоположном направлении.

В определенном месте комнаты группа фотонов включает красные фотоны и синие фотоны, движущиеся в противоположных направлениях. Однако человек может сделать вывод о том, что красные и синие фотоны движутся в разных направлениях (и, следовательно, сделать вывод, что красная и синяя стены находятся в разных местах), только повернув голову и проанализировав два разных вида, в то время как его мозг отслеживает ориентацию его тела и головы.

Информация о яркости напрямую извлекается сетчаткой путем измерения количества фотонов, попадающих в определенную область сетчатки за определенный промежуток времени. И палочки, и колбочки могут собирать информацию о яркости.

Поскольку человеческий глаз в конечном итоге видит только фотоны, светоизлучающая машина может заставить физический объект казаться присутствующим, воссоздав правильные паттерны фотонов, которые исходили бы от объекта, если бы он действительно присутствовал.

Например, мы можем сделать так, будто стул присутствует, если мы создадим набор фотонов с теми же паттернами, что и набор фотонов, который присутствует, когда стул действительно присутствует. Это то, что делают экраны компьютерных дисплеев. Камера фиксирует закономерности в фотонах, исходящих от стула, и сохраняет информацию в виде битов электричества. Затем экран компьютера использует эту информацию для воссоздания коллекции фотонов, и вы видите изображение стула.

Однако стандартные экраны компьютеров могут указывать только цвет, яркость и двухмерное расположение фотонов, которые они создают. В результате изображение физического объекта на экране компьютера становится двухмерным и не совсем реалистичным.

Есть много уловок, которые используются, чтобы попытаться передать третье измерение информации людям, в том числе поляризационные очки, используемые в 3D-кинотеатрах. Однако такие системы обычно не совсем реалистичны, потому что они фактически не воссоздают полное трехмерное фотонное поле. Это означает, что такие «трехмерные» воссоздания объектов можно рассматривать только с одного угла обзора, и они не совсем убедительны.

Напротив, голографический проектор намного ближе к воссозданию полного трехмерного фотонного поля, исходящего от объекта. В результате голограмма выглядит намного более реалистичной и ее можно рассматривать под разными углами, как реальный объект.

Однако голограммы в настоящее время не могут эффективно воспроизводить цветовую информацию. Обратите внимание, что многие изображения с точной цветопередачей, которые якобы являются голограммами, на самом деле являются плоскими изображениями с добавленными уловками, чтобы они выглядели в некоторой степени трехмерными. Полностью реалистичное фотонное воссоздание физического объекта будет невозможно, пока голограммы не смогут точно воссоздать цветовую информацию.

Два свойства фотонов, которые человеческий глаз не может видеть, — это спин (т.е. поляризация) и фаза волны. Обратите внимание, что при правильных условиях некоторые люди могут обнаружить общее состояние поляризации всего светового луча; но невооруженный человеческий глаз не может напрямую увидеть картину поляризации.

Просматривая вращающиеся поляризационные фильтры, которые преобразуют информацию о поляризации в информацию об интенсивности цвета, обученный человек может научиться косвенно видеть картину поляризации фотонов, исходящих от объекта. Примером этого является фотоупругость — метод, позволяющий увидеть механические напряжения в определенных объектах.

В отличие от людей, некоторые животные, такие как пчелы и осьминоги, действительно могут напрямую видеть картину поляризации набора фотонов. Например, пчелы могут видеть естественную картину поляризации дневного неба и использовать ее для ориентации. Фаза фотонной волны также не может быть непосредственно обнаружена людьми, но может быть обнаружена машинами, называемыми интерферометрами. Информация о фазе часто используется для определения плоскостности отражающей поверхности.

Таким образом, люди действительно могут видеть фотоны. Люди могут видеть все свойства фотонов, кроме спина и фазы волны. Поскольку фотоны движутся по шаблонам, диктуемым источником, который их создал, или последним объектом, с которым фотоны взаимодействовали, мы обычно не осознаем, что смотрим на фотоны. Скорее, мы думаем, что смотрим на физические объекты, которые создают и рассеивают фотоны.