Wie weit kann das menschliche Auge sehen? Sehschärfe

Schauen Sie sich in dem Raum um, in dem Sie sich befinden – was sehen Sie? Wände, Fenster, bunte Gegenstände – all das wirkt so vertraut und selbstverständlich. Man vergisst leicht, dass wir die Welt um uns herum nur dank Photonen sehen – Lichtteilchen, die von Objekten reflektiert werden und auf die Netzhaut treffen.

In der Netzhaut jedes unserer Augen befinden sich etwa 126 Millionen lichtempfindliche Zellen. Das Gehirn entschlüsselt die von diesen Zellen empfangenen Informationen über die Richtung und Energie der auf sie fallenden Photonen und wandelt sie in verschiedene Formen, Farben und Beleuchtungsintensitäten umgebender Objekte um.

Das menschliche Sehen hat seine Grenzen. Daher sind wir weder in der Lage, die von elektronischen Geräten ausgesendeten Radiowellen noch die kleinsten Bakterien mit bloßem Auge zu sehen.

Dank Fortschritten in Physik und Biologie können die Grenzen des natürlichen Sehens bestimmt werden. „Jedes Objekt, das wir sehen, hat eine bestimmte ‚Schwelle‘, unterhalb derer wir es nicht mehr erkennen“, sagt Michael Landy, Professor für Psychologie und Neurobiologie an der New York University.

Betrachten wir diese Schwelle zunächst im Hinblick auf unsere Fähigkeit, Farben zu unterscheiden – vielleicht die allererste Fähigkeit, die uns im Zusammenhang mit dem Sehen in den Sinn kommt.

Unsere Fähigkeit, beispielsweise die Farbe Violett von Magenta zu unterscheiden, hängt von der Wellenlänge der Photonen ab, die auf die Netzhaut treffen. In der Netzhaut gibt es zwei Arten lichtempfindlicher Zellen: Stäbchen und Zapfen. Zapfen sind für die Farbwahrnehmung verantwortlich (sog. Tagessicht), und Stäbchen ermöglichen es uns, Grautöne bei schlechten Lichtverhältnissen zu sehen – zum Beispiel nachts (Nachtsicht).

Das menschliche Auge verfügt über drei Arten von Zapfen und eine entsprechende Anzahl von Arten von Opsinen, von denen jede besonders empfindlich auf Photonen mit einem bestimmten Bereich von Lichtwellenlängen reagiert.

Zapfen vom S-Typ reagieren empfindlich auf den violettblauen, kurzwelligen Teil des sichtbaren Spektrums; Zapfen vom M-Typ sind für Grün-Gelb (mittlere Wellenlänge) verantwortlich, und Zapfen vom L-Typ sind für Gelb-Rot (lange Wellenlänge) verantwortlich.

Alle diese Wellen sowie ihre Kombinationen ermöglichen es uns, die gesamte Farbpalette des Regenbogens zu sehen. „Alle sichtbaren Lichtquellen des Menschen, mit Ausnahme einiger künstlicher Lichtquellen (z. B. Brechungsprismen oder Laser), emittieren eine Mischung aus Wellenlängen unterschiedlicher Wellenlänge“, sagt Landy.

Von allen in der Natur vorkommenden Photonen sind unsere Zapfen nur in der Lage, solche zu erfassen, die durch Wellenlängen in einem sehr engen Bereich (normalerweise von 380 bis 720 Nanometern) gekennzeichnet sind – dies wird als sichtbares Strahlungsspektrum bezeichnet. Unterhalb dieses Bereichs liegen die Infrarot- und Radiospektren – die Wellenlängen der niederenergetischen Photonen der letzteren variieren von Millimetern bis zu mehreren Kilometern.

Auf der anderen Seite des sichtbaren Wellenlängenbereichs befindet sich das ultraviolette Spektrum, gefolgt von Röntgenstrahlen und dann dem Gammastrahlenspektrum mit Photonen, deren Wellenlänge weniger als Billionstel Meter beträgt.

Obwohl die Sehkraft der meisten von uns im sichtbaren Spektrum eingeschränkt ist, können Menschen mit Aphakie – dem Fehlen der Linse im Auge (aufgrund einer Kataraktoperation oder, seltener, eines Geburtsfehlers) – ultraviolette Wellenlängen sehen.

In einem gesunden Auge blockiert die Linse ultraviolette Wellen, aber wenn sie nicht vorhanden ist, kann ein Mensch Wellen mit einer Länge von bis zu etwa 300 Nanometern als blau-weiße Farbe wahrnehmen.

Eine Studie aus dem Jahr 2014 stellt fest, dass wir alle in gewisser Weise Infrarotphotonen sehen können. Wenn zwei solcher Photonen fast gleichzeitig auf dieselbe Netzhautzelle treffen, kann sich ihre Energie addieren und unsichtbare Wellen von beispielsweise 1000 Nanometern in eine sichtbare Wellenlänge von 500 Nanometern verwandeln (die meisten von uns nehmen Wellen dieser Länge als kühle grüne Farbe wahr). .

Wie viele Farben sehen wir?

Im gesunden menschlichen Auge gibt es drei Arten von Zapfen, von denen jeder etwa 100 verschiedene Farbtöne unterscheiden kann. Aus diesem Grund schätzen die meisten Forscher die Anzahl der Farben, die wir unterscheiden können, auf etwa eine Million. Allerdings ist die Farbwahrnehmung sehr subjektiv und individuell.

Jameson weiß, wovon er spricht. Sie untersucht das Sehvermögen von Tetrachromaten – Menschen mit wahrhaft übermenschlichen Fähigkeiten, Farben zu unterscheiden. Tetrachromie ist selten und tritt in den meisten Fällen bei Frauen auf. Durch eine genetische Mutation verfügen sie über einen zusätzlichen, vierten Zapfentyp, der es ihnen nach groben Schätzungen ermöglicht, bis zu 100 Millionen Farben zu sehen. (Farbenblinde Menschen oder Dichromaten haben nur zwei Arten von Zapfen – sie können nicht mehr als 10.000 Farben unterscheiden.)

Wie viele Photonen brauchen wir, um eine Lichtquelle zu sehen?

Im Allgemeinen benötigen Zapfen viel mehr Licht, um optimal zu funktionieren als Stäbchen. Aus diesem Grund nimmt bei schlechten Lichtverhältnissen unsere Fähigkeit, Farben zu unterscheiden, ab und Stäbchen werden an die Arbeit geschickt, um Schwarz-Weiß-Sehen zu ermöglichen.

Unter idealen Laborbedingungen können in Bereichen der Netzhaut, in denen Stäbchen weitgehend fehlen, Zapfen bereits durch wenige Photonen aktiviert werden. Allerdings können die Stäbe selbst das schwächste Licht noch besser registrieren.

Wie erstmals in den 1940er Jahren durchgeführte Experimente zeigen, reicht ein Lichtquant aus, damit unsere Augen es sehen können. „Ein Mensch kann ein einzelnes Photon sehen“, sagt Brian Wandell, Professor für Psychologie und Elektrotechnik an der Stanford University. „Es macht einfach keinen Sinn, dass die Netzhaut empfindlicher ist.“

Im Jahr 1941 führten Forscher der Columbia University ein Experiment durch: Sie brachten Probanden in einen dunklen Raum und gaben ihren Augen eine gewisse Zeit, sich anzupassen. Die Stäbchen benötigen mehrere Minuten, um ihre volle Empfindlichkeit zu erreichen; Aus diesem Grund verlieren wir für eine Weile die Fähigkeit, etwas zu sehen, wenn wir das Licht in einem Raum ausschalten.

Anschließend wurde ein blinkendes blaugrünes Licht auf die Gesichter der Probanden gerichtet. Mit einer überdurchschnittlichen Wahrscheinlichkeit registrierten die Versuchsteilnehmer einen Lichtblitz, als nur 54 Photonen auf die Netzhaut trafen.

Nicht alle Photonen, die die Netzhaut erreichen, werden von lichtempfindlichen Zellen erfasst. Vor diesem Hintergrund sind Wissenschaftler zu dem Schluss gekommen, dass bereits fünf Photonen, die fünf verschiedene Stäbchen in der Netzhaut aktivieren, ausreichen, damit ein Mensch einen Blitz sehen kann.

Kleinste und am weitesten entfernte sichtbare Objekte

Die folgende Tatsache wird Sie vielleicht überraschen: Unsere Fähigkeit, ein Objekt zu sehen, hängt überhaupt nicht von seiner physischen Größe oder Entfernung ab, sondern davon, ob mindestens ein paar von ihm emittierte Photonen auf unsere Netzhaut treffen.

„Das Einzige, was das Auge braucht, um etwas zu sehen, ist eine bestimmte Menge Licht, die vom Objekt emittiert oder reflektiert wird“, sagt Landy. „Es kommt auf die Anzahl der Photonen an, die die Netzhaut erreichen.“ Selbst wenn es nur für den Bruchteil einer Sekunde existiert, können wir es immer noch sehen, wenn es genügend Photonen aussendet.

In Psychologielehrbüchern findet sich oft die Aussage, dass in einer wolkenlosen, dunklen Nacht eine Kerzenflamme aus einer Entfernung von bis zu 48 km zu sehen sei. In Wirklichkeit wird unsere Netzhaut ständig von Photonen bombardiert, sodass ein einzelnes Lichtquant aus großer Entfernung vor ihrem Hintergrund einfach verloren geht.

Um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie weit wir sehen können, schauen wir uns den mit Sternen übersäten Nachthimmel an. Die Größe der Sterne ist enorm; Viele von denen, die wir mit bloßem Auge sehen, haben einen Durchmesser von Millionen Kilometern.

Doch selbst die Sterne, die uns am nächsten sind, befinden sich in einer Entfernung von über 38 Billionen Kilometern von der Erde, sodass ihre scheinbare Größe so klein ist, dass unser Auge sie nicht unterscheiden kann.

Andererseits beobachten wir Sterne immer noch als helle Punktlichtquellen, da die von ihnen emittierten Photonen die gigantischen Entfernungen überwinden, die uns trennen, und auf unserer Netzhaut landen.

Alle einzelnen sichtbaren Sterne am Nachthimmel befinden sich in unserer Galaxie, der Milchstraße. Das am weitesten von uns entfernte Objekt, das ein Mensch mit bloßem Auge sehen kann, liegt außerhalb der Milchstraße und ist selbst ein Sternhaufen – das ist der Andromedanebel, der 2,5 Millionen Lichtjahre oder 37 Billionen km entfernt liegt Die Sonne. (Einige Leute behaupten, dass sie in besonders dunklen Nächten aufgrund ihres scharfen Sehvermögens die etwa 3 Millionen Lichtjahre entfernte Triangulum-Galaxie sehen können, aber überlassen Sie diese Behauptung ihrem Gewissen.)

Der Andromedanebel enthält eine Billion Sterne. Aufgrund der großen Entfernung verschmelzen all diese Leuchten für uns zu einem kaum sichtbaren Lichtfleck. Darüber hinaus ist die Größe des Andromedanebels kolossal. Selbst in solch einer gigantischen Entfernung beträgt seine Winkelgröße das Sechsfache des Durchmessers des Vollmonds. Allerdings erreichen uns so wenige Photonen dieser Galaxie, dass sie am Nachthimmel kaum sichtbar ist.

Grenze der Sehschärfe

Warum können wir im Andromedanebel keine einzelnen Sterne sehen? Tatsache ist, dass die Auflösung bzw. Sehschärfe ihre Grenzen hat. (Sehschärfe bezieht sich auf die Fähigkeit, Elemente wie einen Punkt oder eine Linie als separate Objekte zu unterscheiden, die nicht mit benachbarten Objekten oder dem Hintergrund verschmelzen.)

Tatsächlich lässt sich die Sehschärfe genauso beschreiben wie die Auflösung eines Computermonitors – in der minimalen Pixelgröße, die wir noch als einzelne Punkte unterscheiden können.

Einschränkungen der Sehschärfe hängen von mehreren Faktoren ab, beispielsweise vom Abstand der einzelnen Zapfen und Stäbchen der Netzhaut. Eine ebenso wichtige Rolle spielen die optischen Eigenschaften des Augapfels selbst, wodurch nicht jedes Photon die lichtempfindliche Zelle trifft.

Theoretisch zeigen Untersuchungen, dass unsere Sehschärfe auf die Fähigkeit beschränkt ist, etwa 120 Pixel pro Winkelgrad (eine Winkelmaßeinheit) zu unterscheiden.

Eine praktische Veranschaulichung der Grenzen der menschlichen Sehschärfe kann ein auf Armlänge entfernter Gegenstand in der Größe eines Fingernagels sein, auf den 60 horizontale und 60 vertikale Linien in abwechselnden weißen und schwarzen Farben aufgebracht sind, die den Anschein eines Schachbretts erwecken. „Offenbar ist das das kleinste Muster, das das menschliche Auge noch erkennen kann“, sagt Landy.

Die von Augenärzten verwendeten Tabellen zur Prüfung der Sehschärfe basieren auf diesem Prinzip. Die berühmteste Tabelle Russlands, Sivtsev, besteht aus Reihen schwarzer Großbuchstaben auf weißem Hintergrund, deren Schriftgröße mit jeder Reihe kleiner wird.

Die Sehschärfe einer Person wird durch die Schriftgröße bestimmt, bei der sie die Umrisse von Buchstaben nicht mehr klar erkennt und beginnt, sie zu verwirren.

Es ist die Grenze der Sehschärfe, die erklärt, dass wir eine biologische Zelle, deren Abmessungen nur wenige Mikrometer betragen, mit bloßem Auge nicht sehen können.

Aber es besteht kein Grund, darüber zu trauern. Die Fähigkeit, eine Million Farben zu unterscheiden, einzelne Photonen einzufangen und mehrere Billionen Kilometer entfernte Galaxien zu sehen, ist ein recht gutes Ergebnis, wenn man bedenkt, dass unser Sehvermögen durch ein Paar geleeartiger Kugeln in den Augenhöhlen gewährleistet wird, die mit einer 1,5 kg schweren porösen Masse verbunden sind im Schädel.

Die Erdoberfläche krümmt sich und verschwindet in einer Entfernung von 5 Kilometern aus dem Blickfeld. Aber unsere Sehschärfe ermöglicht es uns, weit über den Horizont hinauszuschauen. Wenn die Erde flach wäre oder Sie auf einem Berg stehen und einen viel größeren Bereich des Planeten als gewöhnlich betrachten würden, könnten Sie Hunderte von Kilometern entfernt helle Lichter sehen. In einer dunklen Nacht konnte man sogar die Flamme einer 48 Kilometer entfernten Kerze sehen.

Wie weit das menschliche Auge sehen kann, hängt davon ab, wie viele Lichtteilchen oder Photonen von einem entfernten Objekt emittiert werden. Das am weitesten mit bloßem Auge sichtbare Objekt ist der Andromedanebel, der sich in einer enormen Entfernung von 2,6 Millionen Lichtjahren von der Erde befindet. Die eine Billion Sterne der Galaxie emittieren insgesamt genug Licht, um jede Sekunde mehrere tausend Photonen auf jeden Quadratzentimeter der Erdoberfläche treffen zu lassen. In einer dunklen Nacht reicht diese Menge aus, um die Netzhaut zu aktivieren.

Im Jahr 1941 ermittelten der Sehwissenschaftler Selig Hecht und seine Kollegen an der Columbia University etwas, das immer noch als zuverlässiges Maß für die absolute Sehschwelle gilt – die Mindestanzahl von Photonen, die auf die Netzhaut treffen müssen, um visuelle Wahrnehmung zu erzeugen. Das Experiment legte die Schwelle unter idealen Bedingungen fest: Den Augen der Teilnehmer wurde Zeit gegeben, sich vollständig an die absolute Dunkelheit zu gewöhnen, der als Reiz wirkende blaugrüne Lichtblitz hatte eine Wellenlänge von 510 Nanometern (für die die Augen am empfindlichsten sind), und das Licht wurde auf den peripheren Rand der Netzhaut gerichtet, der mit lichtempfindlichen Stäbchenzellen gefüllt ist.

Damit die Versuchsteilnehmer einen solchen Lichtblitz in mehr als der Hälfte der Fälle erkennen konnten, mussten Wissenschaftlern zufolge 54 bis 148 Photonen in die Augäpfel treffen. Basierend auf Messungen der Netzhautabsorption schätzen Wissenschaftler, dass durchschnittlich 10 Photonen tatsächlich von den Stäbchen der menschlichen Netzhaut absorbiert werden. So signalisiert die Absorption von 5-14 Photonen bzw. die Aktivierung von 5-14 Stäbchen dem Gehirn, dass man etwas sieht.

„Das ist tatsächlich eine sehr kleine Anzahl chemischer Reaktionen“, stellten Hecht und seine Kollegen in einem Artikel über das Experiment fest.

Unter Berücksichtigung der absoluten Schwelle, der Helligkeit einer Kerzenflamme und der geschätzten Entfernung, in der ein leuchtendes Objekt dunkler wird, kamen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass ein Mensch das schwache Flackern einer Kerzenflamme in einer Entfernung von 48 Kilometern erkennen kann.

Doch in welcher Entfernung können wir erkennen, dass ein Objekt mehr als nur ein Lichtflimmern ist? Damit ein Objekt räumlich ausgedehnt und nicht punktförmig erscheint, muss das Licht von ihm mindestens zwei benachbarte Netzhautzapfen aktivieren – die Zellen, die für das Farbsehen verantwortlich sind. Unter idealen Bedingungen sollte ein Objekt in einem Winkel von mindestens einer Bogenminute oder einem Sechstel Grad liegen, um benachbarte Kegel anzuregen. Dieses Winkelmaß bleibt gleich, unabhängig davon, ob das Objekt nah oder weit entfernt ist (das entfernte Objekt muss viel größer sein, um den gleichen Winkel wie das nahe Objekt zu haben). Der Vollmond steht in einem Winkel von 30 Bogenminuten, während Venus in einem Winkel von etwa 1 Bogenminute als ausgedehntes Objekt kaum sichtbar ist.

Objekte von der Größe einer Person sind in einer Entfernung von nur etwa 3 Kilometern als ausgedehnt erkennbar. Im Vergleich aus dieser Entfernung konnten wir die beiden deutlich unterscheiden

Die Erdoberfläche in Ihrem Sichtfeld beginnt sich in einer Entfernung von etwa 5 km zu krümmen. Aber die Schärfe des menschlichen Sehens ermöglicht es uns, viel weiter als bis zum Horizont zu sehen. Wenn es keine Krümmung gäbe, könnte man die Flamme einer Kerze in 50 km Entfernung sehen.

Die Sichtweite hängt von der Anzahl der Photonen ab, die ein entferntes Objekt aussendet. Die 1.000.000.000.000 Sterne dieser Galaxie emittieren zusammen genug Licht, damit mehrere tausend Photonen jeden Quadratmeter erreichen. cm Erde. Dies reicht aus, um die Netzhaut des menschlichen Auges zu erregen.

Da es unmöglich ist, die Sehschärfe des Menschen auf der Erde zu überprüfen, griffen Wissenschaftler auf mathematische Berechnungen zurück. Sie fanden heraus, dass zwischen 5 und 14 Photonen auf die Netzhaut treffen müssen, um flackerndes Licht zu sehen. Eine Kerzenflamme in einer Entfernung von 50 km ergibt unter Berücksichtigung der Lichtstreuung diese Menge und das Gehirn erkennt ein schwaches Leuchten.

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Vom Sehen entfernter Galaxien, die Lichtjahre entfernt sind, bis hin zur Wahrnehmung unsichtbarer Farben erklärt Adam Hadhazy von der BBC, warum Ihre Augen unglaubliche Dinge leisten können. Sieh dich um. Was siehst du? All diese Farben, Wände, Fenster, alles scheint offensichtlich, als ob es hier so sein sollte. Die Vorstellung, dass wir all dies dank Lichtteilchen – Photonen – sehen, die von diesen Objekten abprallen und in unsere Augen eindringen, scheint unglaublich.

Dieser Photonenbeschuss wird von etwa 126 Millionen lichtempfindlichen Zellen absorbiert. Unterschiedliche Richtungen und Energien von Photonen werden in unterschiedlichen Formen, Farben und Helligkeiten an unser Gehirn übertragen und füllen unsere vielfarbige Welt mit Bildern.

Unsere bemerkenswerte Vision weist offensichtlich eine Reihe von Einschränkungen auf. Wir können die Radiowellen unserer elektronischen Geräte nicht sehen, wir können die Bakterien unter unserer Nase nicht sehen. Aber mit Fortschritten in Physik und Biologie können wir die grundlegenden Einschränkungen des natürlichen Sehens erkennen. „Alles, was man erkennen kann, hat eine Schwelle, ein niedrigstes Niveau, über und unter dem man nichts sehen kann“, sagt Michael Landy, Professor für Neurowissenschaften an der New York University.

Warum wir violett und nicht braun sehen, hängt von der Energie oder Wellenlänge der Photonen ab, die auf die Netzhaut auf der Rückseite unserer Augäpfel treffen. Es gibt zwei Arten von Photorezeptoren: Stäbchen und Zapfen. Zapfen sind für die Farbe verantwortlich und Stäbchen ermöglichen es uns, Grautöne bei schlechten Lichtverhältnissen, beispielsweise nachts, zu sehen. Opsine oder Pigmentmoleküle in Netzhautzellen absorbieren elektromagnetische Energie einfallender Photonen und erzeugen so einen elektrischen Impuls. Dieses Signal gelangt über den Sehnerv zum Gehirn, wo die bewusste Wahrnehmung von Farben und Bildern entsteht.

Wir haben drei Arten von Zapfen und entsprechende Opsine, von denen jede empfindlich auf Photonen einer bestimmten Wellenlänge reagiert. Diese Kegel werden mit S, M und L (kurze, mittlere bzw. lange Wellenlänge) bezeichnet. Kurze Wellen nehmen wir als blau wahr, lange Wellen als rot. Die Wellenlängen dazwischen und ihre Kombinationen ergeben einen kompletten Regenbogen. „Alles Licht, das wir sehen, ist eine Mischung aus verschiedenen Wellenlängen, es sei denn, es wird künstlich mit Prismen oder cleveren Geräten wie Lasern erzeugt“, sagt Landy.

Von allen möglichen Wellenlängen eines Photons erfassen unsere Zapfen ein kleines Band von 380 bis 720 Nanometern – das, was wir das sichtbare Spektrum nennen. Außerhalb unseres Wahrnehmungsspektrums gibt es das Infrarot- und Radiospektrum, wobei letzteres eine Wellenlänge von einem Millimeter bis zu einem Kilometer Länge hat.

Obwohl die meisten von uns auf das sichtbare Spektrum beschränkt sind, können Menschen mit Aphakie (fehlender Linse) im ultravioletten Spektrum sehen. Aphakie entsteht normalerweise durch die chirurgische Entfernung von Katarakten oder Geburtsfehlern. Normalerweise blockiert die Linse ultraviolettes Licht, sodass Menschen ohne sie über das sichtbare Spektrum hinaus sehen und Wellenlängen bis zu 300 Nanometer in einem bläulichen Farbton wahrnehmen können.

Eine Studie aus dem Jahr 2014 ergab, dass wir relativ gesehen alle Infrarotphotonen sehen können. Wenn zwei Infrarotphotonen zufällig fast gleichzeitig auf eine Netzhautzelle treffen, verbinden sich ihre Energien und wandeln ihre Wellenlänge von unsichtbaren (z. B. 1000 Nanometern) in sichtbare 500 Nanometer (eine kühle grüne Farbe für die meisten Augen) um.

Ein gesundes menschliches Auge verfügt über drei Arten von Zapfen, von denen jeder etwa 100 verschiedene Farbtöne unterscheiden kann. Daher sind sich die meisten Forscher einig, dass unsere Augen insgesamt etwa eine Million Farbtöne unterscheiden können. Allerdings ist die Farbwahrnehmung eine recht subjektive Fähigkeit, die von Person zu Person unterschiedlich ist, so dass es schwierig ist, genaue Zahlen festzulegen.

„Es ist ziemlich schwierig, das in Zahlen zu fassen“, sagt Kimberly Jamieson, Forscherin an der University of California in Irvine. „Was eine Person sieht, ist möglicherweise nur ein Teil der Farben, die eine andere Person sieht.“

Wie viele Mindestphotonen müssen wir sehen?

Damit das Farbsehen funktioniert, benötigen Zapfen typischerweise viel mehr Licht als ihre Stäbchen-Gegenstücke. Daher „verblasst“ die Farbe bei schlechten Lichtverhältnissen, wenn die einfarbigen Stäbchen in den Vordergrund treten.

Unter idealen Laborbedingungen und in Bereichen der Netzhaut, in denen Stäbchen weitgehend fehlen, können Zapfen durch nur eine Handvoll Photonen aktiviert werden. Dennoch schneiden Stöcke bei diffusen Lichtverhältnissen besser ab. Wie Experimente in den 1940er Jahren zeigten, reicht ein Lichtquant aus, um unsere Aufmerksamkeit zu erregen. „Menschen können auf ein einzelnes Photon reagieren“, sagt Brian Wandell, Professor für Psychologie und Elektrotechnik an der Stanford. „Es hat keinen Sinn, noch sensibler zu sein.“

Anschließend ließen die Wissenschaftler ein blaugrünes Licht vor den Gesichtern der Probanden aufblitzen. Auf einem Niveau, das über der statistischen Wahrscheinlichkeit lag, konnten die Teilnehmer Licht erkennen, als die ersten 54 Photonen ihre Augen erreichten.

Nachdem die Wissenschaftler den Photonenverlust durch Absorption durch andere Komponenten des Auges kompensiert hatten, stellten sie fest, dass fünf Photonen fünf separate Stäbchen aktivierten, die den Teilnehmern das Gefühl von Licht vermittelten.

Was ist die Grenze des Kleinsten und Fernsten, was wir sehen können?

Diese Tatsache wird Sie vielleicht überraschen: Es gibt keine inhärente Grenze für das kleinste oder entfernteste Objekt, das wir sehen können. Solange Objekte beliebiger Größe und Entfernung Photonen an Netzhautzellen senden, können wir sie sehen.

„Das Auge interessiert nur die Lichtmenge, die auf das Auge trifft“, sagt Landy. - Gesamtzahl der Photonen. Man kann die Lichtquelle lächerlich klein und weit entfernt machen, aber wenn sie starke Photonen aussendet, sieht man es.“

Der Volksglaube besagt beispielsweise, dass wir in einer dunklen, klaren Nacht das Licht einer Kerze aus einer Entfernung von 48 Kilometern sehen können. In der Praxis werden unsere Augen natürlich einfach in Photonen gebadet, sodass wandernde Lichtquanten aus großer Entfernung in diesem Chaos einfach untergehen. „Wenn man die Intensität des Hintergrunds erhöht, erhöht sich die Lichtmenge, die man braucht, um etwas zu sehen“, sagt Landy.

Alle einzelnen Sterne, die wir am Nachthimmel sehen, befinden sich in unserer Galaxie – . Das am weitesten entfernte Objekt, das wir mit bloßem Auge sehen können, liegt außerhalb unserer Galaxie: die Andromedagalaxie, 2,5 Millionen Lichtjahre entfernt. (Obwohl dies umstritten ist, behaupten einige Personen, sie könnten die Triangulum-Galaxie an einem extrem dunklen Nachthimmel sehen, und sie sei drei Millionen Lichtjahre entfernt. Man muss sich nur auf ihr Wort verlassen.)

Die Billionen Sterne in der Andromeda-Galaxie verschwimmen angesichts der Entfernung zu einem vagen, leuchtenden Fleck am Himmel. Und doch ist seine Größe kolossal. Von der scheinbaren Größe her ist diese Galaxie selbst in Trillionen Kilometern Entfernung sechsmal breiter als der Vollmond. Allerdings erreichen so wenige Photonen unsere Augen, dass dieses Himmelsmonster nahezu unsichtbar ist.

Wie scharf kann das Sehen sein?

Warum können wir einzelne Sterne in der Andromeda-Galaxie nicht unterscheiden? Die Grenzen unseres visuellen Auflösungsvermögens oder unserer Sehschärfe erzwingen ihre Grenzen. Unter Sehschärfe versteht man die Fähigkeit, Details wie Punkte oder Linien getrennt voneinander zu unterscheiden, sodass sie nicht miteinander verschwimmen. Daher können wir uns die Grenzen des Sehvermögens als die Anzahl der „Punkte“ vorstellen, die wir unterscheiden können.

Theoretisch haben Untersuchungen gezeigt, dass wir maximal etwa 120 Pixel pro Bogengrad sehen können, eine Winkelmaßeinheit. Man kann es sich wie ein 60 x 60 großes schwarz-weißes Schachbrett vorstellen, das auf den Fingernagel einer ausgestreckten Hand passt. „Es ist das klarste Muster, das man sehen kann“, sagt Landy.

Ein Sehtest folgt, wie eine Tabelle mit Kleinbuchstaben, den gleichen Prinzipien. Dieselben Grenzen der Sehschärfe erklären, warum wir eine einzelne schwache biologische Zelle mit einer Breite von mehreren Mikrometern nicht erkennen und fokussieren können.

Aber schreiben Sie sich nicht ab. Eine Million Farben, einzelne Photonen, galaktische Welten in Millionen von Kilometern Entfernung – nicht schlecht für eine Geleeblase in unseren Augenhöhlen, verbunden mit einem 1,4 kg schweren Schwamm in unseren Schädeln.