Con người có thể trực tiếp nhìn thấy một photon. Trên thực tế, các photon là thứ duy nhất mà con người có thể trực tiếp nhìn thấy. Một photon là một chút ánh sáng.
Mắt người được thiết kế đặc biệt để phát hiện ánh sáng. Điều này xảy ra khi một photon đi vào mắt và được hấp thụ bởi một trong các tế bào hình que hoặc tế bào hình nón bao phủ võng mạc trên bề mặt phía sau bên trong của mắt.
Khi bạn nhìn vào một chiếc ghế, bạn không thực sự nhìn thấy một chiếc ghế. Bạn đang nhìn thấy một loạt các photon đã phản chiếu ra khỏi ghế. Trong quá trình phản xạ khỏi ghế, các photon này đã được sắp xếp theo một mô hình giống với chiếc ghế.
Khi các photon tấn công võng mạc, các tế bào hình nón và tế bào hình que sẽ phát hiện ra mô hình này và gửi nó đến não. Bằng cách này, bộ não của bạn nghĩ rằng nó đang nhìn vào một chiếc ghế khi nó thực sự nhìn vào một loạt các photon được sắp xếp trên một mẫu ghế.
Đôi mắt của bạn có thể nhìn thấy những chùm photon, nhưng liệu chúng có thể nhìn thấy một photon đơn lẻ, cô lập không? Mỗi tế bào hình que trong mắt bạn thực sự có khả năng phát hiện một photon đơn lẻ, cô lập. Tuy nhiên, hệ thống mạch thần kinh trong mắt chỉ truyền tín hiệu đến não nếu một số photon được phát hiện cùng lúc trong các tế bào hình que lân cận. Do đó, mặc dù mắt có khả năng phát hiện một photon đơn lẻ, cô lập, nhưng não của bạn không có khả năng nhận biết nó. Nếu có thể, một photon bị cô lập sẽ chỉ giống như một tia sáng chớp tắt tại một điểm duy nhất. Chúng ta biết điều này bởi vì một cảm biến máy ảnh nhạy thực sự có thể phát hiện và xử lý một photon bị cô lập, và photon chỉ trông giống như một tia sáng chớp tắt tại một điểm duy nhất.
Một photon có một số thuộc tính, và mỗi thuộc tính này mang thông tin về nguồn tạo ra photon hoặc vật thể cuối cùng tương tác với photon. Các thuộc tính cơ bản của một photon mang thông tin là màu sắc (tức là tần số), spin (tức là phân cực), vị trí, hướng truyền và pha sóng.
Ngoài ra còn có nhiều đặc tính khác của photon; chẳng hạn như năng lượng, bước sóng, động lượng và số sóng; nhưng tất cả những thứ này đều phụ thuộc vào tần số và do đó không mang thêm bất kỳ thông tin nào.
Khi có nhiều photon, thông tin có thể được mang theo số lượng photon (tức là độ sáng). Khi một nhóm các photon phản xạ ra khỏi ghế, các photon tạo thành các mẫu về màu sắc, độ xoáy, vị trí, hướng, pha sóng và độ sáng chứa thông tin về chiếc ghế.
Với các công cụ thích hợp, mỗi mẫu này có thể được phân tích để có được thông tin về chiếc ghế. Mắt người được thiết kế để phát hiện màu sắc, vị trí, hướng và độ sáng của một nhóm photon, nhưng không phát hiện được pha quay hoặc sóng.
Thông tin màu sắc được phát hiện trong mắt bằng cách có ba loại tế bào hình nón khác nhau, mỗi loại có một phạm vi nhạy cảm màu sắc khác nhau. Một trong những loại có dải nhạy sáng tập trung vào màu đỏ, một loại khác có dải tần tập trung vào màu xanh lá cây và một loại khác có dải tần tập trung vào màu xanh lam.
Mắt có thể nhìn thấy hầu hết tất cả các màu trong quang phổ khả kiến bằng cách so sánh kích hoạt tương đối của ba loại tế bào hình nón khác nhau này. Ví dụ, khi bạn nhìn vào một bông hoa tulip màu vàng, các photon màu vàng truyền vào mắt bạn và chạm vào các ô hình nón màu đỏ, xanh lá cây và xanh lam của bạn.
Chỉ các tế bào hình nón màu đỏ và xanh lục mới được kích hoạt bởi các photon màu vàng và não của bạn diễn giải màu đỏ cộng với màu xanh lá cây là màu vàng. Ngược lại với tế bào hình nón, chỉ có một loại tế bào hình que, và vì vậy tế bào hình que chỉ có thể phát hiện độ sáng chứ không thể phát hiện màu sắc. Các tế bào hình que chủ yếu được sử dụng trong điều kiện ánh sáng yếu.
Thông tin vị trí được phát hiện trong mắt bằng cách các tế bào hình nón và hình que trải rộng trên các vị trí khác nhau dọc theo võng mạc. Các photon khác nhau tồn tại ở các vị trí khác nhau sẽ kích hoạt các ô khác nhau.
Bằng cách này, mô hình không gian của vị trí photon được võng mạc phát hiện trực tiếp. Lưu ý rằng các photon có thể đến từ nhiều hướng khác nhau và làm mờ cùng nhau. Vì lý do này, mắt có một chồng thấu kính ở phía trước chỉ hội tụ ánh sáng đến một ô nhất định đến từ một điểm duy nhất trên vật thể đang được quan sát.
Thủy tinh thể đóng một vai trò thiết yếu trong việc trích xuất thông tin vị trí của vật thể được nhìn từ thông tin vị trí của các photon trên võng mạc. Nếu ống kính bị trục trặc, vị trí photon trên võng mạc không còn tương ứng chính xác với các vị trí điểm trên vật thể đang được xem và hình ảnh sẽ bị mờ. Lưu ý rằng hệ thống quang học của con người chỉ có thể hình ảnh trực tiếp hai chiều của thông tin vị trí photon. Thông tin về chiều không gian thứ ba được con người khai thác gián tiếp bằng nhiều thủ thuật thị giác (gọi là “tín hiệu chiều sâu”), thủ thuật chính là sử dụng hai mắt hơi lệch nhau.
Thông tin về hướng chỉ được con người phát hiện một cách thô thiển bằng cách não bộ theo dõi hướng mà mắt hướng và bằng cách để mắt nhìn vào một vật thể từ nhiều góc độ khác nhau. Ví dụ, một căn phòng có một bức tường sơn màu đỏ và bức tường đối diện sơn màu xanh lam có các hạt photon màu đỏ từ bức tường bắn theo một hướng và các hạt photon màu xanh từ bức tường kia bắn theo hướng ngược lại.
Tại một điểm nhất định trong phòng, nhóm các photon tại điểm đó bao gồm các photon đỏ và các photon xanh chuyển động ngược chiều nhau. Tuy nhiên, một người chỉ có thể suy luận rằng các photon màu đỏ và xanh lam đang di chuyển theo các hướng khác nhau (và do đó suy ra rằng các bức tường màu đỏ và xanh lam ở các vị trí khác nhau) bằng cách quay đầu và phân tích hai góc nhìn khác nhau trong khi não theo dõi hướng của cái đầu.
Thông tin về độ sáng được võng mạc trích xuất trực tiếp bằng cách đo có bao nhiêu photon tác động vào một vùng nhất định của võng mạc trong một khoảng thời gian nhất định. Cả tế bào hình que và tế bào hình nón đều có thể thu thập thông tin về độ sáng.
Vì mắt người cuối cùng chỉ nhìn thấy các photon, một cỗ máy tạo ánh sáng có thể làm cho một vật thể vật chất dường như hiện diện bằng cách tạo lại các mẫu photon chính xác sẽ phát ra từ vật thể nếu nó thực sự có mặt. Ví dụ, chúng ta có thể làm cho nó trông giống như một chiếc ghế nếu chúng ta tạo ra một tập hợp các photon có cùng kiểu với tập hợp các photon hiện diện khi một chiếc ghế thực sự ở đó. Đây là những gì màn hình máy tính hiển thị. Một máy ảnh ghi lại các mẫu trong các photon phát ra từ một chiếc ghế và lưu trữ thông tin dưới dạng các bit điện. Sau đó, một màn hình máy tính sử dụng thông tin này để tạo lại bộ sưu tập photon và bạn sẽ thấy hình ảnh của chiếc ghế.
Tuy nhiên, màn hình máy tính tiêu chuẩn chỉ có thể chỉ định màu sắc, độ sáng và vị trí hai chiều của các photon mà chúng tạo ra. Kết quả là, hình ảnh của một vật thể vật lý trên màn hình máy tính là hai chiều và không hoàn toàn thực tế. Có nhiều thủ thuật được sử dụng để cố gắng truyền tải thông tin theo chiều thứ ba cho con người, bao gồm kính phân cực được sử dụng trong rạp chiếu phim 3D và thấu kính dạng thấu kính được sử dụng trên một số bìa sách. Tuy nhiên, những hệ thống như vậy thường không hoàn toàn thực tế vì chúng không thực sự tái tạo trường photon ba chiều đầy đủ. Điều này có nghĩa là việc tái tạo các đối tượng “3D” như vậy chỉ có thể được nhìn từ một góc nhìn và không hoàn toàn thuyết phục. Một số người nhận thấy rằng vì các hệ thống “3D” như vậy sử dụng các thủ thuật thị giác hơn là trường photon ba chiều đầy đủ, các hệ thống này khiến họ đau đầu và buồn nôn.
Ngược lại, một máy chiếu ảnh ba chiều tiến gần hơn đến việc tái tạo trường photon ba chiều đầy đủ đến từ một vật thể. Kết quả là, một hình ba chiều trông thực tế hơn nhiều và có thể được xem từ nhiều góc độ khác nhau, giống như một vật thể thật. Tuy nhiên, ảnh ba chiều thực sự hiện không thể tái tạo thông tin màu một cách hiệu quả. Lưu ý rằng nhiều hình ảnh chính xác về màu sắc được cho là ảnh ba chiều thực sự là hình ảnh phẳng với các thủ thuật được thêm vào để làm cho chúng trông giống ba chiều. Sẽ không thể tái tạo photon hoàn toàn thực tế cho một đối tượng vật lý cho đến khi ảnh ba chiều có thể tái tạo chính xác thông tin màu sắc.
Hai đặc tính của photon mà mắt người không thể nhìn thấy là spin (tức là phân cực) và pha sóng. Lưu ý rằng trong các điều kiện thích hợp, một số người có thể phát hiện trạng thái phân cực tổng thể của toàn bộ chùm ánh sáng; nhưng không có mắt người thường nào có thể nhìn thấy trực tiếp mô hình phân cực. Bằng cách nhìn qua các bộ lọc phân cực có thể xoay, chuyển đổi thông tin phân cực thành thông tin cường độ màu, một người được đào tạo có thể học cách gián tiếp nhìn thấy dạng phân cực của các photon đến từ một vật thể. Một ví dụ về điều này là phương pháp quang đàn hồi cho phép mọi người nhìn thấy ứng suất cơ học trong một số vật thể nhất định. Trái ngược với con người, một số loài động vật như ong mật và bạch tuộc thực sự có thể nhìn thấy trực tiếp mô hình phân cực của một tập hợp các photon. Ví dụ, ong mật có thể nhìn thấy kiểu phân cực tự nhiên tồn tại trên bầu trời ban ngày và sử dụng nó cho mục đích định hướng. Pha sóng photon cũng không thể được phát hiện trực tiếp bởi con người nhưng có thể được phát hiện bởi các máy gọi là giao thoa kế. Thông tin về pha thường được sử dụng để xác định độ phẳng của bề mặt phản xạ.
Tóm lại, con người thực sự có thể nhìn thấy các photon. Con người có thể nhìn thấy tất cả các thuộc tính của photon ngoại trừ spin và pha sóng. Vì các photon di chuyển theo các mẫu được quyết định bởi nguồn tạo ra chúng hoặc vật thể cuối cùng mà các photon tương tác với, nên chúng ta thường không nhận ra rằng mình đang nhìn vào các photon. Thay vào đó, chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi đang nhìn vào các đối tượng vật chất đang tạo ra và tán xạ các photon.
Bây giờ, có lẽ bạn muốn hỏi, “Liệu con người có thể nhìn thấy một photon giống như cách chúng ta nhìn thấy một chiếc ghế không?” Một lần nữa, chúng ta có thể nhìn thấy một chiếc ghế bởi vì các photon bật ra khỏi nó theo một mô hình nhất định đại diện cho chiếc ghế và đi vào mắt chúng ta. Để nhìn thấy một photon giống như cách bạn nhìn thấy một chiếc ghế, bạn sẽ phải có một loạt các photon bật ra khỏi một photon mà bạn đang cố gắng “nhìn thấy” và sau đó đưa chùm này vào mắt bạn. Tuy nhiên, các photon không bao giờ trực tiếp bật ra khỏi nhau, vì vậy điều này không bao giờ có thể hoạt động được. Ngay cả khi các photon có thể bật ra khỏi nhau, bạn sẽ không thấy điều gì đặc biệt từ thiết lập này. Bạn vẫn sẽ chỉ nhìn thấy ánh sáng nhấp nháy tại một thời điểm khi một nhóm nhỏ các photon chạm vào võng mạc của bạn. Khi bạn nghĩ rằng bạn nhìn thấy một chùm ánh sáng ngoài không gian, chẳng hạn như phát ra từ đèn pin, thì trên thực tế, bạn đang nhìn thấy các hạt bụi dọc theo đường đi của chùm tia do các photon bật ra từ các hạt bụi.
