透过双眼,我们能看到什么?

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  观察对于物理学来说是必不可少的,但我们究竟能看到多少呢?从单纯用人类的肉眼观看,到借助望远镜、显微镜等仪器来扩展人类的视野,观察的极限究竟在哪里?

  人类的眼睛是奇妙的事物。大多数没有视力问题的人能看到的遥远事物,远远超出我们的行走范围。在万里无云的夏日,即便是远在1.49亿公里之外的太阳,也能清晰可见;当我们在夜晚仰望星空,视线会穿越数光年的距离。剑桥大学的理论物理教授Ben Allanach说:“如果想要观看一颗在数光年之外的恒星,只要它足够明亮,我们就能够看到。”

  看见星辰

  然而,我们眼睛的所见却是有限的。其中一个限制是角分辨率。眼睛能看到物体自身发出的或反射回的光线,这些光线穿过瞳孔、透过晶状体而聚焦在视网膜上。瞳孔的大小类似于相机的光圈,决定了眼睛能够分辨两个物体的能力,这取决于来自物体的光线之间的夹角。

  光由波组成,就像水流经过狭窄的桥之后,会散播开来,光穿过狭缝后,也会传播开来,也就是所谓的光的衍射。这会导致光波彼此干涉,产生衍射图样,正如著名的双缝实验所证明的那样。当光这样传播时会产生一个艾里斑(airy disc),也就是光线穿过圆孔后聚集程度的极限

  

  ○不同角间距的艾里斑。

  只有当两个不同光源的艾里斑不重叠时,才可以分辨。这个极限角分辨率用光线进入眼睛时的夹角θ表示,它取决于孔的大小d,以及光的波长λ

  人类眼睛的角分辨率约为1角分(0.02度或0.0003弧度),这使得我们能够分辨出1公里处相距30厘米的物体。“我们看到的一颗恒星,实际上有可能是两颗角距分开非常小的恒星。然而我们的眼睛并不能分辨它们的不同,它们看起来都只不过是一颗恒星。”Allanach说道。

  飞越彩虹

  对人类视觉的另一个限制,是眼睛能够看见的光的频率范围。光是一种电磁波,其传播速度约为每秒3x10米。光波可以有不同的频率与对应的波长,之所以眼睛能看见不同的颜色,正是源于不同的光波具有特定的频率与波长范围——从波长为620~750纳米的红光(频率为400~484太赫兹)到波长为280~450纳米的紫光(频率为668~789太赫兹)。

  ○从紫色(左)到红色(右)的可见光谱。

  我们所能看到的光跨越了彩虹的颜色,然而超出可见光谱的光波遍布在我们周围的空气中。与人类眼睛结构不同的眼睛可以看到紫外线或红外线。例如虽然人类眼睛无法看见紫外线,但是昆虫可以。蜜蜂不仅拥有由数千个小眼组成的复眼,还拥有额外的接收紫外线的感光细胞。

  挪威人Neil Harbisson提供了一个色彩感知的有趣例子。Harbisson是全色盲,这种情况非常罕见,他看到的是一个全然黑白的世界。然而,Harbisson已经利用电子器械增强了自己的身体功能,他在自己的头上植入了一个摄像头,将捕捉到的颜色转换成声音,并称自己是一个赛博格(cyborg,电子人)。

  

  ○Neil Harbisson. 图片来源:Dan Wilton/The Red Bulletin

  声音通过骨头传到他的耳朵,最终,他听到了颜色。当电话铃声响起时,它听起来是紫色的。Harbisson对颜色的体验转换了一种感官,从视觉转化为听觉,被称为联觉(synesthesia)。不仅如此,Harbisson的视觉实际得到了增强,他甚至能够听到红外线。很显然,他可以察觉在他附近使用老式遥控器的人。

  超越人类极限

  这听起来有些极端,但长久以来,我们一直致力于增强我们的身体和感官。从助听器,到眼镜隐形眼镜,再进步到人工耳蜗植入技术,人类一直在寻找克服生理缺陷的方法。科学上说来,自17世纪起,我们就已经开始扩展自己的观测能力了。古希腊人会使用放大镜,17世纪显微镜的发展让我们对生物学有了新的见解。伽利略制造了最早的望远镜之一,并在1610年发现了围绕木星运行的卫星。当使用的透镜更大时,角分辨率会随之增大,天文学家因而可以看到更小的物体和相距很近的恒星。

  显微镜和望远镜都使用透镜来放大需要被观测的物体。但当放大到一定水平时,比如当我们要观测一个分子时,就没有任何光学显微镜能帮助我们做到这一点。所以我们还必须借助其他设备,比如电子显微镜扫描探针显微镜

  现在,在数学和科技的帮助下,我们可以看到更多,甚至能够以我们自身为观测对象。例如磁共振成像(MRI),它的工作原理就是让水分子中的磁场发生振荡,再检测由此产生的电磁场扰动。MRI仪会利用计算机程序来实现数学技术,进而重建图像,让我们看到身体内的水究竟在哪里。MRI仪不会像眼镜或显微镜那样放大人类感官,而是用它感知的信息为我们重建图像。这不同于一般意义上视觉的看见。

  但这真的与我们人类正常经验的视觉体验有那么不同吗?对此,Allanach解释说:“当我们进行观看时,没有任何东西能不经过视觉处理就抵达我们的大脑中心。在你意识到之前,在你的CPU——大脑中央的计算机——得到信息之前,处理就已经开始进行了。因此,本质上,通过制造的仪器对事物进行观察与通过自己的双眼观察,并没有大的不同。”

  译:Jin

  校对:二宗主

  https://plus.maths.org/content/what-can-we-see

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