مرز‌های محدودیت بینایی ما کجا هستند؟

نگاهی به اطراف اتاق بیندازید، چه می‌بینید؟ همه‌ی این رنگ‌ها، دیوارها، پنجره‌ها و هرچه پیرامون ماست، به نظر خیلی واقعی می‌آیند. ولی آیا آن چیزی که از اشیاء اطرافمان می‌بینیم، حقیقی است؟ اصلا چرا ما می‌توانیم اطرافمان را ببینیم؟ در چشمان ما چه چیزی وجود دارد که آن‌ها می‌توانند پنجره‌ی ذهن ما به دنیای بیرون باشند؟ در قدیم‌الایام، دانشمندان فکر می‌کردند احتمالا از چشم ما، پرتویی خارج می‌شود که وقتی به اشیاء برخورد می‌کند؛ ما می‌توانیم آن اشیاء را ببینیم. این یک نظریه‌ی علمی بود و اتفاقا خیلی خوب با هندسه‌ی نور همخوانی داشت. بعدها فهمیدیم، چشمان ما چیزی نیستند جز حسگرهایی که می‌توانند گستره‌ای کوچک از طیف امواج الکترومغناطیسی را دریافت کنند. سپس این مغز است که با استفاده از داده‌های این دو حسگر، واقعیت دنیای بیرون را برای ما می‌سازد. ولی واقعا این حسگرها چگونه کار می‌کنند و توانایی آن‌ها در چه حد است؟ آیا ما می‌توانیم با چشمان خود، اشیاء خیلی دور یا اجسام خیلی ریز را ببینیم؟ مرزهای بینایی ما در کجا قرار دارند؟

چشمان ما، حسگرهایی هستند درست مثل چهار حسگر دیگر بدن ما. مثلا گوش‌های ما، حسگرهای صدا هستند. عصب‌های درون بینی ما، حسگرهای بو هستند. اعصاب زیر پوست ما، حسگرهای فشار هستند. عصب‌های روی زبان ما، حسگرهای مزه هستند. چشمان ما حسگرهایی هستند که می‌توانند به فوتون‌های نور واکنش نشان دهند. البته نه همه‌ی فوتون‌های طیف الکترومغناطیس، بلکه فقط به قسمت کوچکی از آن‌ها. بر روی شبکیه‌ی چشم ما، حدود ۱۲۶ میلیون سلول عصبی حساس به نور وجود دارد که این کار را می‌کنند. این فوتون‌ها با انرژی‌های مختلف و جهت‌های متفاوت وارد چشم ما می‌شوند و به سلول‌های عصبی شبکیه برخورد می‌کنند. با برخورد فوتون‌ها به سلول‌های شبکیه، این سلول‌ها از خود پالس‌های الکتریکی ارسال می‌کنند که بوسیله‌ی نورون‌ها به مغز می‌رسند و آن‌جا به تصاویری که می‌بینیم ترجمه می‌شوند.

برای توضیح بیشتر درباره‌ی امواج الکترومغناطیسی،‌ باید گفت که از امواج رادیویی گرفته تا فروسرخ، پرتوی ایکس، گاما و غیره، همه جزو تابش الکترومغناطیس به حساب می‌آیند. پرتوی الکترومغناطیس خاصیت موجی-ذره‌ای دارد و ذرات حامل آن، فوتون نام‌گذاری شده‌اند. برای مطالعه‌ی بیشتر در این زمینه، می‌توانید مقاله‌ی «پرتوی نور از چه درست شده است؟» را بخوانید.

چشمان ما، حسگرهایی هستند که می‌توانند به قسمت خاصی از پرتوی الکترومغناطیس واکنش نشان دهند.

ما در بدنمان هیچ حسگری برای دریافت امواج رادیویی یا فروسرخ نداریم. ما برای دریافت امواج الکترومغناطیس، محدود به چشمان خود هستیم. چشمان ما می‌توانند قسمتی کوچک از طیف الکترومغناطیس که با نام نور مرئی شناخته می‌شود را دریافت کنند و نسبت به آن واکنش مناسب انجام دهند. طول موج نور مرئی بین ۳۸۰ تا ۷۲۰ نانومتر است. این درحالیست که طول موج‌های الکترومغناطیسی، در گستره‌ی رادیویی می‌توانند تا چند کیلومتر هم برسند. البته ناگفته نماد که ما می‌توانیم پرتوی فروسرخ را با حس لامسه‌ی خود به شکل گرما حس کنیم.

یکی از جالب‌ترین چیزها در بینایی ما، رنگ است. اینکه ما می‌توانیم رنگ بنفش را از قرمز تشخیص دهیم، به طول موج فوتون‌هایی بستگی دارد که به شبکیه‌ی چشم ما برخورد می‌کنند. شبکیه جایی است در قسمت عقب کره‌ی چشم ما، که سلول‌های بینایی روی آن قرار دارند. آن‌جا، ما دارای دو نوع سلول دریافت‌کننده‌ی نور هستیم. این دو نوع سلول، سلول‌های مخروطی و سلول‌های میله‌ای هستند. سلول‌های مخروطی،‌ می‌توانند رنگ را تشخیص دهند. این در حالیست که سلول‌های میله‌ای به ما اجازه می‌دهند که در شرایط نوری ضعیف، بتوانیم محیط اطراف را به صورت سیاه و سفید ببینیم. این سلول‌ها به خصوص در شب خیلی به کار ما می‌آیند.

شبکیه‌ی چشم ما دارای دو نوع سلول مخروطی و میله‌ای شکل است. سلول‌های مخروطی مسئول تشخیص رنگ و سلول‌های میله‌ای مسئول بینایی ما در شرایط نوری ضعیف هستند.

«اوپسین» (Opsin) یا همان مولکول‌های رنگ‌دانه‌ای در سلول‌های شبکیه، می‌توانند انرژی الکترومغناطیسی فوتون‌های برخوردی را جذب کنند و به سوی مغز پالس الکتریکی ارسال کنند. ما دارای سه نوع سلول مخروطی شکل هستیم. هرکدام از این انواع، می‌توانند فوتون‌های یک طول موج خاص را دریافت کند. بعضی از سلول‌ها می‌توانند طول موج نور آبی را دریافت کنند. بعضی‌ها می‌توانند طول موج سبز و بعضی دیگر طول موج نور قرمز را دریافت می‌کنند. البته ناگفته نماند که تمام این رنگ‌ها نتیجه‌ی برداشت مغز ما از این امواج است و در دنیای بیرون، مفهوم رنگ بی‌معنی است. وقتی همه‌ی این‌ها با هم کار می‌کنند، ما می‌توانیم رنگ‌های میانه را نیز تشخیص دهیم و طیف کامل رنگین‌کمانی را ببینیم.

هرچند که محدوده‌ی دید بیشتر انسان‌ها در همین حول و حوش قرار دارد، ولی نادر افرادی که به بیماری آفاکیا یا نبود عدسی مبتلا هستند، می‌توانند نور فرابنفش را هم ببینند. آفاکیا همان‌طور که از نامش پیداست، نبود عدسی چشم به دلیل جراحی یا آسیب است. عدسی چشم معمولا راه نور فرابنفش را سد می‌کند. بنابراین وقتی عدسی نباشد، انسان می‌تواند طول موج‌های فرابنفش را نیز ببیند. طبق مطالعه‌ای که در سال ۲۰۱۳ صورت گرفت، ما می‌توانیم فوتون‌های طول‌موج فروسرخ را نیز ببینیم. این به شرطی است که دو فوتون فروسرخ به طور همزمان به یک سلول شبکیه برخورد کنند. در این صورت، انرژی آن‌ها جمع می‌شود و طول موجشان از ۱۰۰۰ نانومتر به ۵۰۰ نانومتر می‌رسد و رنگی تقریبا سبز را از آن‌‌ها می‌بینیم.

بعضی افراد که به دلیلی عدسی چشم خود را از دست داده‌اند، می‌توانند نور فرابنفش را نیز ببینند.

ما چند رنگ را می‌توانیم ببینیم؟

همان‌طور که گفتیم، چشم سالم یک انسان، دارای سه نوع سلول مخروطی شکل است. هرکدام از آن‌ها می‌توانند ۱۰۰ طیف رنگی را تشخیص دهند. بنابراین با استفاده از سه سلول مخروطی، ما می‌توانیم یک میلیون رنگ را از یکدیگر تمیز دهیم. با این حال، درک از رنگ چیزی است که تا حدودی از فرد به فرد تفاوت می‌کند. البته در بعضی افراد، این اختلاف خیلی زیاد است. مثلا به صورت نادر، افرادی وجود دارند که با نام «تتراکرومات‌ها» (Tetrachromats) شناخته می‌شوند و می‌توانند رنگ‌های خیلی بیشتری نسبت به مردم عادی ببینند. بیشتر این افراد زن هستند و به صورت ژنتیکی، یک نوع چهارم از سلول‌های مخروطی دارند. به صورت تخمینی، آن‌ها به جای یک میلیون رنگ، می‌توانند ۱۰۰ میلیون رنگ را ببینند. جالب این‌جاست که افرادی را داریم به نام «کوررنگ» که فقط دارای دو نوع سلول مخروطی هستند و می‌توانند ۱۰ هزار رنگ را ببینند.

سلول‌های مخروطی چشم ما سه نوع هستند و می‌توانند رنگ‌های قرمز، سبز و آبی را تشخیص دهند. به صورت نادر، افرادی وجود دارند که دارای یک نوع چهارم سلول مخروطی هستند و می‌توانند رنگ‌های بیشتری را تشخیص دهند. به این افراد تتراکرومات می‌گویند. افراد کوررنگ، فقط دو نوع سلول مخروطی دارند.

حداقل نوری که می‌توانیم ببینیم چقدر است؟

به طور کلی، سلول‌های مخروطی برای اینکه بتوانند کار کنند و  رنگ را تشخیص دهند، به تعداد بیشتری فوتون نسبت به سلول‌های میله‌ای احتیاج دارند. به همین دلیل است که در شرایط ضعیف نوری، ما نمی‌توانیم رنگ را تشخیص دهیم. در تاریکی، سلول‌های میله‌ای مشغول انجام وظیفه هستند. در یک آزمایش که سال ۱۹۴۰ انجام شد، فقط یک فوتون توانست سلول میله‌ای چشم ما را فعال کند. پروفسور «رایان وندل» (Brian Wandell) از دانشگاه استنفورد می‌گوید: «سلول میله‌ای چشم می‌تواند حتی به یک فوتون هم واکنش نشان دهد. دیگر حساس‌تر از این نمی‌شود.»

در سال ۱۹۴۱، پژوهشگران دانشگاه کلمبیا، تعدادی انسان را به اتاقی تاریک بردند و صبر کردند تا چشمانشان به تاریکی عادت کند. سلول‌های میله‌ای، برای رسیدن به حداکثر حساسیت، به چند دقیقه زمان احتیاج دارند. به همین دلیل است که وقتی در محیط کم‌نور قرار می‌گیریم،‌ ابتدا در دیدن اطرافمان دچار مشکل می‌شویم. سپس پژوهشگران، پرتوی بسیار ضعیف آبی-سبز را به صورت آزمایش‌شونده‌ها تاباندند. بیشتر آزمایش‌شونده‌ها، وقتی نور با ۵۴ فوتون به چشم آن‌ها می‌رسید، می‌توانستند آن را تشخیص دهند. وقتی که پژوهشگران، اتلاف نور در همه‌ی اجزاء چشم را بررسی کردند، متوجه شدند که فقط پنج فوتون توانستند به سلول‌های میله‌ای برسند و باعث شوند که آزمایش‌شوندگان آن‌ها را ببینند.

دورترین جایی که می‌توانیم ببینیم کجاست؟

واقعیتی وجود دارد که می‌تواند شما را شگفت‌زده کند. هیچ محدودیت ذاتی برای اینکه بتوانیم اشیاء خیلی دور یا خیلی ریز را ببینیم وجود ندارد. یک جسم هرچقدر دور یا ریز باشد مهم نیست، مهم این است که فوتونی که از آن ساطع می‌شود بتواند به چشم ما برسد. مایکل لندی که در دانشگاه نیویورک استاد روانشناسی و علم اعصاب است، می‌گوید: «تنها چیزی که برای چشم اهمیت دارد، تعداد فوتون‌های ورودی است. بنابراین شما می‌توانید یک منبع نوری را خیلی کوچک یا کم کنید. اگر به مقدار کافی فوتون به چشم شما ارسال کند، می‌توانید آن را ببینید.»

آسمان پر ستاره‌ی شب می‌تواند مثالی خیلی خوب برای آزمایش توانایی دیدن مناظر دوردست باشد. ستاره‌ها، اجرامی خیلی بزرگ هستند و بسیاری از آن‌هایی که در آسمان می‌بینیم، میلیون‌ها کیلومتر قطر دارند. حتی نزدیک‌ترین ستاره‌ها، میلیاردها میلیارد کیلومتر از ما دور هستند. هرچند که قطر آن‌ها زیاد است، ولی به دلیل فاصله‌ی زیاد، چشم ما نمی‌تواند قطر آن‌ها را تشخیص دهد. ما ستاره‌ها را به صورت منابع نور نقطه‌ای می‌بینیم که فوتون‌های آن‌ها، میلیاردها کیلومتر را در کیهان پیموده و به ما رسیده‌اند.

همه‌ی ستارگانی که در آسمان شب می‌بینیم، در کهکشان خودمان، یعنی راه شیری قرار دارند. یکی از نادر اجرامی که می‌توانیم با چشم غیر مسلح بیرون از کهکشان راه‌شیری ببینیم، کهکشان اندرومدا است. کهکشان اندرومدا، در فاصله‌ی ۲٫۵ میلیون سال نوری از ما قرار دارد. یعنی فاصله‌ای آن‌قدر زیاد که نور با سرعت ۳۵۰ هزار کیلومتر بر ثانیه، آن را در ۲٫۵ میلیون سال طی می‌کند.

کهکشان اندرومدا خود دارای میلیاردها ستاره است. ولی ما نمی‌توانیم ستاره‌های آن را تفکیک کنیم و کهکشان را به صورت یک هاله‌ی کم نور می‌بینیم. جالب این‌جاست که کهکشان اندرومدا فوق‌العاده بزرگ است و نور برای اینکه از یک سر آن به سر دیگرش برود، بیش از ۱۰۰ هزار سال نوری در راه است. کهکشان اندرومدا علی‌رغم اینکه خیلی از ما دور است، ولی آن‌قدر اندازه‌اش بزرگ است که قطر ظاهری آن در آسمان، شش برابر اندازه‌ی ماه کامل است. با این حال از آن‌جا که فوتون‌های کمی از آن به چشم ما می‌رسد، این کهکشان در آسمان خیلی تاریک، به صورت هاله‌ای بسیار کم‌نور دیده می‌شود. تازه در آسمان تاریک هم عمدتا می‌توانیم قسمت مرکزی آن که پرنورتر است را ببینیم.

کهکشان اندرومدا بسیار دور و در ضمن بسیار بزرگ است، ما می‌توانیم آن را با چشم غیر مسلح ببینیم ولی نمی‌توانیم ستارگان آن را تفکیک کنیم.

ما چقدر می‌توانیم شفاف ببینیم؟

همان‌طور که گفتیم، ما نمی‌توانیم تک‌تک ستاره‌های کهکشان‌ اندرومدا را به صورت تفکیک شده ببینیم. این به دلیل رزولوشن یا همان دقت محدود چشم ماست. توان تفکیک، به معنی توانایی تمیز دادن دو نقطه‌ی نزدیک به هم است که در فواصل مشخص از چشم ما قرار دارند. اگر این دو نقطه در فاصله‌ای نزدیک از ما باشند، می‌توانیم آن‌ها را به صورت دو نقطه‌ی مجزا ببینیم. اگر خیلی دور از ما قرار بگیرند، آن‌ دو را به صورت یک نقطه می‌بینیم. فاکتورهای زیادی بر روی توانایی تفکیک چشم ما تاثیر می‌گذارند. مثلا فاصله‌ای که بین سلول‌های مخروطی و میله‌ای شبکیه‌ی چشم ما قرار دارد، می‌تواند بر رزولوشن چشم ما تاثیرگذار باشد. اپتیک گوی چشم ما نیز عاملی است که باعث می‌شود بسیاری از فوتون‌ها نتوانند به سلول‌های گیرنده‌ی نور برسند.

به صورت نظری،‌ مطالعات نشان داده‌اند که ما می‌توانیم ۱۲۰ پیکسل را در هر درجه‌ی قوسی تشخیص دهیم. درجه‌ی قوسی، یکایی در اندازه‌گیری زاویه‌ای است. این میزان دقت، مثل این است که ۶۰ خط عمودی و ۶۰ خط افقی را بر روی ناخن انگشت خود کشیده باشیم تا یک نقش توری شکل بر روی آن بوجود آید. سپس دست خود را دراز کنیم و انگشت را روبروی خود بگیریم. چشم، هرکدام از سوراخ‌های این توری روی انگشت را می‌تواند تشخیص دهد. اگر دست ما دورتر شود یا سوراخ‌های توری ریزتر شود، دیگر نمی‌توانیم آن را تشخیص دهیم.

با همه‌ی این محدودیت‌ها، چشمان خوبی داریم. چشمانی که می‌توانند یک میلیون رنگ را تشخیص دهند و فقط با یک فوتون به کار بیفتند. چشمانی که می‌توانند ستارگان دوردست و کهکشان همسایه را ببینند. وقتی در نظر بگیریم که چشمان ما دو توپ کوچک متصل شده به یک مغز ۱٫۴ کیلوگرمی هستند، می‌بینیم که کار خود را خوب انجام می‌دهند.