測量視覺的極限(下)︰看見一個光子

測量視覺的極限(下)︰看見一個光子
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我們想讓你知道的是

從天上的星星談到眼睛裡的視網膜,從心理學談到量子力學,只為了回答一個簡單的問題:我們能看到最微弱的光,到底有多暗?

不過不是所有進入眼睛裡的光子,都會被轉換成電流訊號。在光子抵達視網膜之前,要先穿過角膜、水晶體、玻璃體這些生物組織,它們會反射或吸收大約一半的光子,也就是只有27~74個光子能抵達視網膜。損失了這麼多光子,很大的因素是水晶體。水晶體這個詞令人聯想起是透明無瑕疵的鏡片,其實水晶體上散佈著色素,在強光下有類似太陽眼鏡保護視網膜的功能,不過也因此會過濾掉許多光子。

因為視網膜上密佈著感光細胞(photoreceptor)[4],有時我們把視網膜想像成是一張細緻的漁網,能網住所有射向視網膜的光子。不過比較正確的比喻,應該是把感光細胞想像成是足球場上的守門員。他們接住光子的機會大約只有65%,而且就算是光子被感光細胞接住,也只有2/3的機率會被轉換成電流訊號。由此可知,一個光子進入了眼球之後,在大部分的時候不是被吸收,就是被散射,要不然就是在光子轉換成電流的過程中被浪費掉。它們真正能變成有用的視覺資訊的機率大約只有6%!

把這些因素通通考慮進去以後,推算出我們看到最暗的光,大約是5個光子被感光細胞吸收的結果。因為實驗所用的光源,照射在視網膜上所形成的影像,大約被500個感光細胞取樣。因為這 500個細胞只能吸收5個光子,由此可以推測在視覺的極限,每個感光細胞最多只吸收了一個光子。當然上一節討論的量子光源實驗發表後,我們更確定每個感光細胞可以對單一光子有反應。

一直要到70年代末期,生物學家才發展出把單一感光細胞從視網膜上挑出來的技術,因此才有機會研究感光細胞在少數光子的刺激之下,會產生什麼樣的電流訊號。當時的生物學家用的是古典光源,所以難以避免前面提到不能精確控制光子量的問題。最近幾年神經生物學家開始使用量子光源,終於直接的把單一光子射入感光細胞,因此完全地證明了感光細胞可以偵測到單一光子[5,6]

偵測一個光子很了不起嗎?

視覺跟其它的感官經驗不一樣的地方,在於它的物理媒介,光線,是由離散的粒子組成,因此有最小單位,但別的經驗沒有。例如說聽覺沒有「音子」,嗅覺沒有「味子」,不過視覺有「光子」。視覺系統能偵測到光線的基本粒子,似乎有某種特殊意義,好像是說它是一種最優秀的感官系統。偵測一個光子的能力似乎很了不起。

一個可見光光子的能量,是在1.8到3.2 eV(電子伏特)之間。日常生活用的能量單位是焦耳(joule),1電子伏特不過是1.6×10-19 焦耳,的確是非常微小的物理量。因為這種低能量離日常生活經驗太遠,我們不太容易靠直覺決定偵測一個光子倒底是容易還是難。這裡試著靠一些比較,把這個問題具體化。

8.5級的星光非常接近視覺的極限,根據前面的計算,用這麼微弱的星光,要把一公克的水,熱到增加攝氏一度的溫度的話,需要上億年的時間。由此可見以熱能為基礎的科技(例如說蒸汽引擎),是沒有可能跟感光細胞的敏感度相比的。

化學反應所需要的能量通常高於光子的能量(不然的話許多物質只要拿到陽光下就會起變化了)。不過既然傳統的照相然能靠著化學反應捕捉光,我們不難想像有些化學反應所需的能量,是在可見光的範圍。傳統照相術的基本原理,是靠著光的能量,把溴化銀分子分解成溴離子與銀離子,分解一個溴化銀分子所需的能量只不過是1 eV,可見用底片要捕捉少量,甚至是單一光子,至少在理論上是有可能的。

光電效應與感光元件

19世紀末期(1887年)的科學家發現了光線打在金屬板上面,可以產生微弱的電流,這就是所謂的光電效應。因為光電效應所需的最小能量大致是在2 eV到5 eV之間,理論上一個光子也可以產生電流。自從1940年代開始,光電效應就被用來測量光線的亮度,不過一直要等到70至80年代的半導體革命後,它才開始普及到日常生活裡。今日常見的數位相機,使用的是以光電效應為基礎的 CCD(charge-coupled device)或是 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor),這些元件的大小跟感光細胞類似,而且都有單一光子的敏感度。根據估計,一般的數位相機,只要用ISO 800到1600的感光度,就可以捕捉到單一光子[7,8]。由此可見,捕捉單一光子這件聽起來像是科幻小說裡才有的事,在日常生活中其實並不罕見。

有趣的是在物理學家發現光電效應之前,生物學家就發現了在視網膜上,把光線轉換成電流訊號的機制,是一種跟光電效應截然不同的生化反應。早在1876年,德國生理學家Franz Boll在解剖青蛙的眼睛的時候,就注意到感光細胞上一種紫色的物質,在接觸到光線後,會變成透明無色。這個紫色的物質便是視網膜上的感光元件,是一種稱為「視蛋白」(opsin)的蛋白質。光子打擊到視蛋白上一個稱為「視黃醛」(retinal)的分子的時候,它的能量會改變視黃醛的形狀。這一個微不足道的事件,但被一連串複雜的生化反應放大後,可以產生電流訊號。造成視黃醛改變形狀所需的能量大約是1 eV,因此只需要單一光子就能啟動。


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[註]:國科會職場互助教保服務中心於110年8月開辦,位於科技大樓1樓,是臺灣公共托育協會承接的第一間職場教保中心。以平價、優質、非營利、社區化之方向營運,希望透過政府與公益法人團體協力的方式,結合民間團體資源,提供孩子優質的教保品質,減輕社區家庭照顧負擔,提升教保人員工作環境與權益。資料來源:財團法人彭婉如文教基金會


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