Hãy thử nghĩ xem bạn có thể phân biệt 1 triệu màu sắc, nhận thức 1 photon đơn lẻ, nhìn xa đến tận thiên hà lân cận. Điều đó đã quá đủ tuyệt vời!
Khám phá những giới hạn bất ngờ của đôi mắt con người
Hãy nhìn xung quanh căn phòng, bạn nhìn thấy những gì? Màu sắc, những bức tường, cửa sổ… mọi thứ dường như hiển nhiên và chúng ở đó. Thật lạ khi tự hỏi rằng làm thế nào chúng ta có thể dùng thị giác để nhận thức môi trường xung quanh. Thực chất, quá trình này là sự phản xạ các hạt ánh sáng- photon từ đồ vật lên nhãn cầu của chúng ta.
Khi các hạt ánh sáng tiếp cận với 126 triệu tế bào cảm quang trên võng mạc, năng lượng của chúng sẽ được dịch bởi não bộ và chúng ta sẽ cảm nhận được hình dạng, màu sắc, độ sáng của đồ vật và điều này sẽ tạo thành thế giới nhìn thấy xung quanh chúng ta.
Có những giới hạn nào cho đôi mắt?
Những gì mà đôi mắt đang làm thật kỳ diệu! Tuy nhiên, cảm giác của chúng ta về tầm nhìn rõ ràng là không phải không có những giới hạn. Chúng ta không thể nhìn thấy sóng radio phát ra từ các thiết bị điện tử, không thể nhìn thấy hàng triệu con vi khuẩn trong lòng bàn tay. Với những tiến bộ của Vật lý và Sinh học, giờ đây chúng ta có thể kiểm tra và biết được đâu là những điểm giới hạn cho thị giác tự nhiên của con người. “Sẽ có một vạch ngưỡng nào đó cho những gì bạn có thể thấy, một mức mà bạn có thể đạt đến, và sau đó thì bạn không thể nhìn thấy gì nữa”, Michael Landy, giáo sư tâm lý học và thần kinh học đến từ Đại học New York cho biết.
Màu sắc
Giới hạn đầu tiên mà mọi người quan tâm khi nghĩ đến đó là màu sắc. Chúng ta cảm nhận màu sắc như thế nào? Mắt chúng ta có hai loại tế bào tiếp nhận ánh sáng là tế bào hình nón và hình que. Những thụ thể hình que xử lý những yếu tố về sắc độ như các trạng thái khác nhau của màu xám. Chúng là các thụ thể hoạt động chính để tạo nên tầm nhìn ban đêm khi ánh sáng yếu.
Ngược lại, các thụ thể hình nón hoạt động với ánh sáng ban ngày và cảm nhận màu. Ở đây, bạn nên lưu ý màu và sắc là hai khái niệm khác nhau mặc dù chúng ta hay gọi gộp chúng lại thành một từ “màu sắc”. Các màu phân biệt với nhau bởi bước sóng ánh sáng chúng phản xạ tới mắt. Như chúng ta có màu xanh, màu vàng, màu đỏ… Còn sắc độ phân biệt bởi cường độ ánh sáng như chúng ta có xanh nhạt, xanh đậm, các sắc của màu xám…
Các tế bào hình nón và hình que giúp chúng ta nhận thức màu sắc
Khi các phân tử sắc tố trên võng mạc hấp thụ năng lượng của các photon, chúng tạo ra một xung điện. Tín hiệu đó đi qua dây thần kinh thị giác tới não, nơi các nhận thức về màu sắc được tạo ra.
Bởi vì chúng ta có 3 loại tế bào hình nón với các phân tử sắc tố tương ứng. Mỗi loại lại nhạy với một bước sóng photon và được gọi tên S, M, L ứng với bước sóng ngắn, trung bình và dài. Các tế bào hình nón bước sóng ngắn cho chúng ta nhận thức các màu ngả về xanh, ngược lại với các tế bào nón bước sóng dài thì màu ngả về đỏ. Kết hợp cả 3 loại tế bào cho chúng ta nhận thức được cả 7 sắc cầu vồng. “Tất cả màu sắc chúng ta thấy đến từ sự hỗn hợp của nhiều bước sóng ánh sáng”, Landy nói.
Tuy nhiên, đó chỉ là một phần nhỏ. Bảy sắc ánh sáng mà chúng ta cảm nhận được chỉ nằm trong các bước sóng từ 280-720nm. Các photon có bước sóng dài hơn như sóng hồng ngoại, radio và ngắn hơn như tia X, tia cực tím nằm ngoài phổ này. Vì vậy, đó là lý do tại sao chúng ta không thể nhìn thấy chúng.
Ánh sáng mặt trời chứa nhiều tia cực tím nhưng chúng ta không thể nhận ta chúng
Không phải không có những trường hợp cá biệt. Một số người mắc một hội chứng gọi là Aphakia, họ có thể nhìn thấy tia cực tím. Aphakia là tình trạng mắt bị thiếu đi một phần thủy tinh thể có thể do ảnh hưởng phẫu thuật hoặc bẩm sinh. Bộ phận bị thiếu có tác dụng chặn tia cực tím. Khi bị mất đi chúng, người ta có thể nhìn thấy những photon bước sóng lên đến 300nm, và họ cảm nhận chúng màu xanh-trắng.
Chúng ta có thể nhìn thấy bao nhiêu màu sắc?
Như đã phân tích, một người bình thường có 3 loại tế bào thụ thể hình nón trong mắt. Mỗi tế bào có thể làm nhiệm vụ phân tích 100 sắc thái khác nhau của màu. Do đó, hầu hết các nhà nghiên cứu cho rằng chúng ta có khả năng phân biệt khoảng 1 triệu màu khác nhau. Tuy nhiên, nhận thức về màu sắc là một yếu tố chủ quan và thay đổi từ người này sang người khác. Một con số chính xác rất khó để đưa ra.
“Sẽ không thể có một con số cụ thể”, Kimberly Jameson, một nhà nghiên cứu đến từ Đại học California, Irvine nói. “Khả năng phân biệt màu sắc của một người này có thể chỉ là một phần nhỏ những người khác có thể”.
Jameson không hề nói quá. Cô đang làm việc với những người trong tình trạng “tetrachromats”. Họ có một tế bào hình nón thứ 4, chúng đem đến khả năng phân biệt đến 100 triệu màu. Ngược lại những người bị mù màu chỉ có 2 tế bào hình nón và chỉ có khả năng phân biệt 10.000 màu.
Chúng ta cần ít nhất bao nhiêu photon để nhìn thấy?
Các tế bào hình nón thường cần nhiều ánh sáng hơn để làm việc so với những tế bào hình que. Đó là lý do tại sao khi ánh sáng thấp chúng ta không còn cảm nhận màu sắc một cách tốt nhất có thể. Trong điều kiện lý tưởng của một phòng thí nghiệm, một số ít các photon cũng có thể kích hoạt các tế bào hình nón.
Tuy nhiên, những tế bào hình que còn làm tốt hơn thế. Năm 1940, một thí nghiệm đã chỉ ra rằng thậm chí 1 photon ánh sáng đơn lẻ cũng có thể đủ tạo nên nhận thức.” Mọi người đều có thể nhận thức được 1 photon”, Brian Wandell, giáo sư tâm lý học và kỹ thuật điện tại Stanford nói.
Sau đó vào năm 1941, các nhà nghiên cứu tại Đại học Columbia đã tiến hành một thí nghiệm. Họ dẫn các tình nguyện viên vào một căn phòng tối và theo dõi sự điều chỉnh của tế bào hình que. Sẽ mất một vài phút để chúng đạt được sự nhạy cảm. Đó là lý do tại sao chúng ta gặp rắc rối với mắt khi đột nhiên căn phòng ban đêm bị mất điện.
Các nhà nghiên cứu sau đó chiếu nhanh một chùm sáng màu xanh ở trước mặt tình nguyện viên. Họ tính toán được rằng 54 photon là con số đủ để các tình nguyện viên phát hiện ra sự kiện này. Sau khi bù đắp sự hấp thụ ánh sáng của các bộ phận trong mắt, kết quả cho thấy 5 photon sẽ kích hoạt 5 tế bào hình que và gây ra nhận thức về sự kiện của ứng viên.
Đâu là vật nhỏ nhất và khoảng cách xa nhất chúng ta có thể thấy?
Điều này có thể sẽ khiến bạn ngạc nhiên. Không hề có giới hạn cho những vật nhỏ nhất hay khoảng cách xa nhất chúng ta có thể nhìn thấy. Miễn là đối tượng đó ở bất kì kích thước và khoảng cách nào phản xạ photon vào võng mạc là chúng ta có thể nhận thức được chúng.
Trong các tài liệu phổ thông thường dẫn ví dụ rằng bạn có thể nhìn thấy một ngọn nến cách xa 48 km trong đêm tối như mực. Trong thực tế, màn đêm vẫn luôn tràn ngập các photon và sẽ chẳng có đêm tối như mực. Các photon ánh sáng tán xạ trong không gian và bị mất mát trên khoảng cách chúng tới mắt nên chúng khiến tầm nhìn bị hạn chế.
Chúng ta có thể nhìn xa tới vô hạn
Ví dụ về sự vô hạn của tầm nhìn rất gần gũi. Chúng ta có khả năng nhìn thấy những ngôi sao cách chúng ta gần nhất 28 nghìn tỷ km. Tất cả các ngôi sao đứng riêng lẻ trên bầu trời đêm đến từ thiên hà của chúng ta Milky Way. Bằng mắt thường chúng ta vẫn có thể nhìn thấy các đối tượng trong thiên hà Andromeda, cách Trái Đất 2.5 triệu năm ánh sáng. Các photon đã hành trình trên một quãng đường rất rất xa và lọt vào võng mạc. Thật kỳ diệu!
Chúng ta có thể nhìn rõ đến mức nào?
Mặc dù nhìn thấy thiên hà Andromeda, chúng ta không thể phân biệt được từng ngôi sao riêng lẻ trong đó. Những giới hạn về độ phân giải của thị lực được nhắc đến trong trường hợp này. Đó là khả năng phân biệt các chi tiết như một điểm hay một đường mà chúng không mờ lại với nhau. Do đó, bạn cũng có thể nghĩ về độ phân giải của thị lực như những điểm ảnh tách biệt mà chúng ta phân biệt được.
Khả năng phân biệt các điểm đen trắng tách biệt trong bài kiểm tra thị lực
Một số yếu tố ảnh hưởng tới độ phân giải của mắt. Chẳng hạn đó là số lượng và khoảng cách giữa các tế bào hình nón và hình que trên võng mạc. Về lý thuyết, các nhà nghiên cứu chỉ ra chúng ta có 120 điểm ảnh trên mỗi độ vòng cung võng mạc.
Trong bài kiểm tra thị lực tại phòng khám nhãn khoa. Bạn sẽ nhìn thấy các chữ cái nhỏ dần. Người bác sĩ sẽ đo được ở điểm nào bạn không thể phân biệt được các khoảng trống màu trắng hay đen nữa. Ví dụ bạn không còn phân biệt được chữ F hay chữ P. Có những tài liệu chỉ ra rằng mắt người có độ phân giải cỡ một máy ảnh 576 Megapixel. Giới hạn về độ phân giải là nguyên nhân chúng ta không thể nhìn thấy những con vi khuẩn trên tay mình với kích thước micro.
Nói tóm lại, tự nhiên đã ưu ái ban cho loài người một thị lực không đến nỗi tệ. Mặc dù có những giới hạn của nó. Tuy nhiên, hãy thử nghĩ xem bạn có thể phân biệt 1 triệu màu sắc, nhận thức 1 photon đơn lẻ, nhìn xa đến tận thiên hà lân cận. Điều đó đã quá đủ tuyệt vời!