211service.com
De netelige vraag of mensen afzonderlijke fotonen kunnen waarnemen
Kunnen mensen losse fotonen zien? Dat klinkt als een relatief eenvoudige vraag om te beantwoorden, maar het probleem blijkt lastiger en ingewikkelder te zijn dan iemand vermoedde. Maar het heeft ook een diepgaande invloed op onze redelijke verwachtingen voor toekomstige sensoren.
Het menselijk oog is extreem gevoelig voor licht. Natuurkundigen weten al langer dat de lichtgevoelige staafjes achter in het oog gestimuleerd kunnen worden door enkele fotonen. Maar ze weten niet of deze invloed zich via het visuele en cognitieve systeem kan voortplanten en tot waarneming kan leiden.
De technologie om dit idee te testen is pas sinds kort beschikbaar. In de afgelopen jaren hebben natuurkundigen fotonenkanonnen ontwikkeld die op verzoek fotonenparen kunnen produceren met een hoge betrouwbaarheid.
Nu zie je het, nu niet.
Paren zijn belangrijk omdat ze een manier bieden om te controleren wanneer het fotonenkanon is geactiveerd. Eén foton wordt naar het experiment gestuurd, terwijl de andere wordt bewaard door de onderzoeker, die dan weet dat het pistool is afgevuurd.
Het experiment zelf is in wezen eenvoudig. Het gaat om het afvuren van een foton in een menselijk oog en vervolgens beslissen of het onderwerp het heeft waargenomen of niet.
In de praktijk is het experiment lastig, niet in de laatste plaats vanwege het enorme aantal proeven dat nodig is om een statistisch significant resultaat te krijgen en de onbetrouwbaarheid van menselijke waarnemers.
Vorige maand publiceerden Alipasha Vaziri van de Universiteit van Wenen in Oostenrijk en enkele vrienden de resultaten van hun eigen versie van dit experiment. Ze straalden enkele fotonen in de ogen van menselijke proefpersonen en vroegen hen om op te nemen wanneer ze een foton zagen. Ze vroegen hen ook om het vertrouwen van hun observatie vast te leggen op een schaal van 1 tot 3.
Het experiment omvatte meer dan 30.000 proeven, waarvan 2.420 echte fotonen gebruikten. De proefpersonen namen 51,6 procent van de tijd correct fotonen waar.
Dat leidt Vaziri en co tot een duidelijke conclusie. Mensen kunnen een incident met één foton op het hoornvlies detecteren met een waarschijnlijkheid die aanzienlijk hoger ligt dan het toeval, zeggen ze in Nature Communications.
Maar dat resultaat wordt nu in twijfel getrokken. Vandaag zeggen Paul Kwiat en vrienden van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign dat de gegevens zo'n robuuste conclusie niet ondersteunen. Ze zeggen dat het experiment van Vaziri en co niet de statistische kracht heeft om hun conclusie te ondersteunen. We kunnen op basis van de gegevens van deze studie niet concluderen dat mensen afzonderlijke fotonen kunnen zien, zeggen Kwiat en co.
De groep van Kwiat is goed geplaatst om dit werk te beoordelen, aangezien ze hun eigen experimenten hebben uitgevoerd over de grenzen van het menselijk gezichtsvermogen.
Dus voorlopig is de jury eruit - we kunnen nog niet duidelijk zeggen of mensen losse fotonen kunnen waarnemen.
Maar waarom is dit belangrijk? Het antwoord is dat dit soort werk de fysieke grenzen van de biologie verkent. De energie van een enkel foton is bijna onvoorstelbaar klein - in het gebied van 10-19 joule. En toch is het menselijk brein een warme, natte machine die regelmatig wordt overspoeld door lawaai.
Het vermogen om zo'n kleine hoeveelheid energie te detecteren, zou onthullen hoe krachtig biologische zintuigen kunnen zijn, zelfs in warme, natte omgevingen.
Dat is een vaardigheid die natuurkundigen en ingenieurs graag zouden willen kopiëren. Dus dit werk, en het werk dat waarschijnlijk zal volgen, zal de lat leggen voor bio-ingenieurs. Wat de limiet ook blijkt te zijn, verwacht daardoor aanzienlijke technologische vooruitgang.
Referentie: arxiv.org/abs/1707.09341 : Correspondentie: nog steeds geen bewijs voor detectie van één foton door mensen Nature Communications 7, Artikelnummer: 12172 (2016) : Directe detectie van een enkel foton door mensen