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
Photo Credit: George Hodan, Public Domain

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?

視蛋白是一個古老的結構,在它7億年的演化歷史中,演化出捕捉單一光子的能力,在某種意義上可以說是達到了感光元件的極致[8]。這固然是演化得到最佳解的範例之一,不過從比較廣泛的視野看來,也許不是特別超出意料之外。植物的光合作用也是生物系統利用光子能量的例子。光合作用所需的最小能量大約是6~8個光子,可見少量的光子,如果能巧妙的利用,在生物系統裡其實是能做很多事的。

從一個光子到整個腦

光子是能量極低的粒子。一個光子被單一感光細胞接收後,在細胞膜上產生微量的電流(10-12安培)。視網膜上,每平方釐米有超過10萬個感光細胞,所以說這個單一細胞產生的微量電流真的是個微不足道的事件。這個訊號經過視網膜的處理後,傳到大腦,要先通過龐大的視覺皮層(visual cortex),然後在更高層的腦區域做決策(決定「我是不是看到了東西?」),這個決策然後在運動神經系統被轉換成控制肌肉的訊號,讓受試者能按鍵表達是不是看到了光子。如此複雜的過程就算不是動用了整個腦,也是許多不同的神經系統互動後的結果。單一神經傳達的資訊居然沒有在這個龐大的系統裡遺失掉,可能要讓許多工程師讚嘆不已吧。

假想一個情境︰在打仗的時候,決定要不要攻擊敵軍,是一個非常複雜的過程。因為一個偵察兵可能會不小心把一個小動物看成是敵軍,當然不能一有風吹草動就開砲。軍官一定要把多人的報告消化整合後,才能往上層通報。有些看似不可靠的報告得被忽略掉。將軍得到這個報告後,還得參考更多資訊(例如說衛星資料),才能決定該不該攻擊。這個決策在往下傳的過程中又有可能被誤傳,甚至是被敵軍攔截。在如此複雜、層層稟報的系統下,如果在必要時,能根據一個小兵看到一眼敵軍槍頭的尖端,就做出正確的攻擊,那這個軍隊的組織真是有出人意外的效率,值得研究。神經科學家想要研究的,就是龐大複雜的腦子,怎麼能正確地對極微弱的資訊做有效的計算。

另一個值得一提的地方,就是前面提起的心理學實驗,測量的資料真的是非常的簡單,就只是一些受試者回答「看得到」或是「看不到」。靠這這麼簡單的資料,居然能夠用來推測視網膜上神經的生理性質,而且精確度高到幾個光子的程度。其實這種過程,在神經科學的發展史上,是非常常見的。心理學家靠著聰明的行為學實驗,常常領先神經科學家幾十年,先發展出了精確的理論。所以千萬不要以為心理學是籠統不精確的軟科學喔。

註︰

  1. Hecht et al. (1942) Energy, quanta, and vision. Journal of General Physiology 25, 819–840。我在正文裡很籠統的說「直到受試者看不到它為止」。這句話的意思是做實驗的時候有時燈光是開的,有時沒有開。每次快門開放後,受試者要回答有沒有看到光。受試者的回答要 60% 正確才算「看得到」。為什麼思考星光的時候,快門時間是十分之一秒,不過在這個實驗可以用千分之一秒的快門?這是因為星光要穿越好幾光年的距離,每個光子之間的距離非常的遠。因此,固定量光子抵達視網膜所需的時間,遠比實驗室裡的燈光來得長。參考 Rodieck (1998) The First Steps in Seeing
  2. 參考維基百科上 Single-photon source 的條目。
  3. Tinsley et al. (2016) Direct detection of a single photon by humans. Nature Communications 7:12172.
  4. 視網膜上有兩種感光細胞:視桿細胞(rod cells)與視錐細胞(cone cells)。這篇文章只討論對光線比較敏感的視桿細胞。
  5. 參考 Rieke & Baylor (1998) Single-photon detection by rod cells of the retina. Reviews of Modern Physics 70, 1027.
  6. Phan et al. (2014) Interaction of fixed number of photons with retinal rod cells. Physical Review Letters 112, 213601.
  7. http://www.clarkvision.com/articles/digital.photons.and.qe/
  8. 這篇文章專注在一個簡單的問題上:一個光子打在一個感光元件上,這個元件有沒有可能反應,如果有,便稱為「有單一光子的敏感度」。在討論一個感光元件的能力時,這只是敏感度的諸多指標之一。另一個重要的指標是問這個元件是不是每次接觸到光子的時候,都會有反應,也就是對光子有反應的機率。視桿細胞對光子有反應的機率大約是 30%,數位相機的機率大多高於 30%,所以在這個意義上,視桿細胞的能力低於電子光學元件。另一個重要的指標是光學元件會不會產生「黑暗事件」(dark event),也就是這個元件在沒有接收到光子的時候,會不會謊報有光子。視桿細胞大約每分鐘才隨機產生一次黑暗事件,在這方面它就比數位相機的電子元件優秀了,因為 CCD 的像素在室溫裡,大約每秒就會產生一次黑暗事件。也就是說視桿細胞的雜訊非常低。數位相機在低光環境下常常拍不出好的影像,這是一個重要的因素。

本文獲授權轉載,原文見職業科學家的業餘科學

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責任編輯:tnlhk
核稿編輯︰周雪君


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