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¿Cuántos megapíxeles tiene el ojo?

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¿Cuál es la cantidad de megapíxeles disponibles en el ojo humano? Parece que los modelos de cámaras más nuevos siguen aumentando continuamente su recuento de píxeles. Sin embargo, nunca parecen ser capaces de reproducir lo que ven los ojos.


Respuesta corta
El número total de fotorreceptores ('píxeles') en la retina humana es de 63 millones. Aproximadamente 3 millones de ellos transmiten información enfocada y codificada por colores.

Fondo
En esencia, cada fotorreceptor de la retina actúa como un sensor fotosensible. Tenemos bastones y conos en nuestro retinae. Las varillas confieren una visión en escala de grises, mientras que los conos son responsables de la visión del color.

El recuento bruto promedio de bastones en la retina humana es de 60 millones, y los conos cuentan un poco más de 3 millones (Jonas et al, 1992). Por lo tanto, podríamos concluir que tenemos 63 megapíxeles por ojo disponible.

Sin embargo, esto no significa que se envíen 63 millones de píxeles al cerebro. En cambio, al igual que con una imagen JPG, su tamaño se reduce instantáneamente incluso antes de que la información salga de la retina.

Lo más importante es que los bastones están especializados para la visión escotópica (nocturna) y de 10 a 30 bastones se conectan a una sola célula bipolar (Kolb, 2011). Por lo tanto, esta hazaña solo reduce el número de 'píxeles de barra' a aproximadamente 3 millones. Los conos generalmente hacen sinapsis en un solo bipolar. Por eso, 6 megapíxeles dejar la retina aproximadamente.

La imagen de la retina generalmente se enfoca en la fóvea, que es el centro de 18o del total ~ 160o que está cubierto por una retina (Fig. 1). El resto de la retina puede recibir una proyección de imagen borrosa.


Fig. 1. Imagen enfocada a través de la acomodación en la retina. Fuente: Problemas y soluciones de salud

La fóvea está densamente poblada de conos y contiene casi todos (fig. 2).


Fig. 2. Distribución de bastones y conos en humanos. Fuente: (Kolb, 2011)

Por lo tanto, la parte enfocada de la imagen puede codificarse con tan solo 3 millones de conos. Dado que las varillas no proporcionan información de color, se puede concluir que la información enfocada y codificada por colores se transmite por 3 millones fotorreceptores por retina.

Sin embargo, en última instancia, es importante tener en cuenta que el cerebro llena los espacios que faltan. Por ejemplo, el disco óptico, es decir, el punto donde el nervio óptico sale del ojo, mide aproximadamente 1,5 mm de diámetro (Kolb, 2011). Dado que el diámetro total de la retina es de unos 30-40 mm, este es un punto ciego bastante grande. El cerebro simplemente llena ese vacío estimando lo que se supone que debe estar allí. De hecho, muchas personas con enfermedades degenerativas de la retina ni siquiera notan sus déficits hasta que comienzan a chocar con objetos que no notaron. Sin embargo, no ven agujeros negros, sino que su cerebro ha estado llenando los huecos con la información disponible en la imagen restante, al igual que lo hace con el disco óptico en personas que ven normalmente.

Referencias
- Jonas et al, Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol (1992); 230(6):505-10
- Kolb, Webvision, La organización de la retina y el sistema visual, Anatomía simple de la retina (2011)
- Kolb, Webvision, La organización de la retina y el sistema visual, circuitos para señales de varilla a través de la retina (2011)


En realidad, el ojo humano tiene una resolución variable, con mayor resolución alrededor de la fóvea y menor a medida que nos alejamos de ella. Entonces no creo que el 576 MP sea correcto.

Nuestros ojos son realmente horribles en muchas propiedades ópticas. El cerebro compensa estos errores y corrige todo, por lo que en este sentido tu pregunta está mal planteada, ya que probablemente deberíamos dejar de mejorar la resolución de los sensores de la cámara y empezar a mejorar el software que analiza los datos que reciben.


¿Cuál es la resolución del ojo humano?

Si el ojo humano fuera una cámara digital, ¿cuántos megapíxeles tendría?

La respuesta: 576 megapíxeles.

Impresionante trabajo, desearía haber pensado en hacer eso. Tenga en cuenta que sus cálculos requieren un poco de manipulación: la fóvea en realidad cubre solo una pequeña parte del campo visual que el ojo debe moverse de un punto a otro para ensamblar una imagen tan detallada. Una cámara digital registra todos los píxeles al mismo tiempo. Para los aficionados a la fotografía, el artículo también pasa a hacer varios otros cálculos de cámara / ojo.

Una pregunta aparte: ¿podría una imagen de 576 megapíxeles "engañar" a su sistema visual haciéndole creer que estaba viendo algo real? Suponiendo que se cubriera un ojo y no se le permitiera moverse, creo que podría hacerlo. Pero tan pronto como viera la imagen con ambos ojos o se le permitiera moverse, entonces podría detectar el hecho de que la imagen era plana. Las imágenes tridimensionales se ven diferentes cuando se ven desde diferentes perspectivas, pero las imágenes planas no.

Más como esto

La pregunta debería ser, ¿podemos crear una imagen de 576 megapíxeles?

La pregunta debería ser, ¿podemos crear una imagen de 576 megapíxeles?

Un poco falso, creo que si permite que el ojo se mueva y ensamble una imagen a lo largo del tiempo, entonces, por supuesto, puede hacer lo mismo con una cámara (y la imagen de gigapíxeles vinculada arriba es un ejemplo).

Como sabrán los fanáticos de las cámaras digitales, la calidad de imagen es mucho más que la resolución. También hay profundidad de bits, y el sistema visual humano claramente ha superado a las cámaras digitales de los consumidores actuales cuando se trata de eso. Lo que está en juego es el rango dinámico de las imágenes. Puede hacerse una idea de la cantidad de fotos de calidad de consumidor que carecen al mirar imágenes de cámaras de gran formato, pero incluso entonces (creo) se está perdiendo el rango dinámico ultra alto que está presente en las imágenes del mundo real.

¡Aunque un análisis interesante!

¿Qué pasa con la compresión de datos durante la percepción visual? No puedo recordarlo, pero supongo que también es bastante impresionante.

Chris tiene razón. Uno de los grandes obsequios de la fotografía es que la mayoría de las fotos representan solo una pequeña porción de la luz que entraría al ojo humano en la escena real. Ha habido intentos en el mundo de los gráficos por computadora para corregir esta limitación. Imágenes de alto rango dinámico, o HDRI, es un formato de imagen especial que contiene datos de múltiples exposiciones para una "imagen", de modo que pueda hacerse una idea no solo de lo que es brillante u oscuro en una escena, sino de lo que emite y absorbe más. luz. Paul Debevec ha estado investigando esto durante años, con especial énfasis en reproyectar los datos HDRI para su uso en efectos especiales y simulación de escenas. Su investigación se ha utilizado en las películas de Matrix. Visite http://www.debevec.org Preste atención al antiguo, pero aún muy impresionante, Fiat Lux, en el que Debevec recrea el interior de la Basílica de San Pedro utilizando datos de luz muestreados.

La forma en que el sistema visual humano 'resuelve' la información visual está solo levemente relacionada con la forma en que una cámara captura una imagen. Incluso a nivel de la retina, la cantidad de cálculo involucrado en la adaptación del contraste es asombrosa. La forma en que se representa la información visual en el procesamiento visual temprano sigue siendo un misterio. Ni siquiera mencionar cómo la retroalimentación, como la atención espacial y global, puede influir en los canales individuales de información.

En el núcleo geniculado lateral, por ejemplo, aproximadamente el 80% de todas las neuronas que representan la "imagen visual" son neuronas de retroalimentación de centros visuales superiores, donde el otro 20% son las neuronas de retroalimentación de la retina.

Sí, 576 millones de píxeles de detalle funcional de solo 6 millones de conos (los fotorreceptores de detección de color) y 125 millones de bastones (principalmente para visión periférica).

En una nota relacionada, encuentro el trabajo para crear sistemas de cámaras para personas ciegas extremadamente interesante, pero muy prematuro. Han creado cámaras que se colocan en tus lentes y envían impresiones a tu lengua o pecho o lo que sea, pero para mover la cámara tienes que girar la cabeza. Lo que realmente deberían estar haciendo es tener pequeños rastreadores oculares (tal vez usando pequeños imanes en el ojo o algo fácil de rastrear) que puedan averiguar dónde estás mirando y mostrar selectivamente el equivalente fovial en la lengua / pecho. No es necesario apuntar la cámara, solo use un lente ojo de pez y tome una parte diferente de la imagen. Esto probablemente sería más útil para los usuarios de este tipo de dispositivo que aumentar la resolución.

¿Cómo se calculan 576 megapíxeles por ojo?

¿Cómo tiene que ir la televisión de alta definición para superar la capacidad visual del ojo humano? ¿Cómo se compara la televisión de alta definición con los rangos visuales de otras especies? Cualquier interesado en esto.

El título del artículo es un poco engañoso.

Diría que la resolución del ojo es menor.

Más lejos del eje óptico, la agudeza disminuye rápidamente. La agudeza visual alta solo es aparente en la fóvea que tiene solo 2 ° de ancho.
Además, la visión del color cambia de tricromática a dicromática si el objeto visto se aleja más del eje óptico, lo que también debería influir en la resolución.

Lo que mencioné se aplica solo a la situación en la que un observador miraría solo un punto, permitiendo solo microsacadas.

Si podemos ver alrededor libremente, entonces la construcción de una vista de alta resolución completa entra en acción, por supuesto.

El artículo debería titularse "La resolución del sistema visual humano" (que incluiría movimientos sacádicos y todo tipo de procesamiento) o "La resolución percibida del ojo humano".

@ Harlan: No necesitas imanes para rastrear los movimientos de los ojos. Una fuente de luz IR simple y una cámara sensible a IR son suficientes para seguir el movimiento del ojo. Se realiza mediante el análisis del reflejo en la córnea que se mueve según el movimiento del ojo.

576 MP es engañoso. Nuestros ojos no procesan tanta información en un instante como lo hace una cámara, sino que lo hacen en una sucesión de fotogramas o escaneos. Entonces yo diría que el MP real es mucho menor. De todos modos, entendemos la idea.
Cuando se trata de una cámara digital, el punto a tener en cuenta aquí es que los ojos pueden distinguir dos fuentes puntuales o píxeles con una separación de hasta 0.3 Arc-Min, lo que equivale a aproximadamente 1300 ppp a una distancia focal promedio de 220 mm. Es decir, cualquier resolución superior a 1300 dpi es redundante ya que nuestros ojos no pueden "ver" la diferencia. Por lo tanto, idealmente, digamos, una foto de 4 "x 6" requeriría 40 MP para que los ojos vean la imagen "completa".
En conclusión, MP marca la diferencia en la fotografía digital, ya que las cámaras de hoy todavía están muy por detrás.

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¿Cuál es la resolución del ojo?

Es por eso que el ojo humano es un órgano perfectamente creado que no se puede comparar con el poder de imagen de las lentes artificiales. Sin embargo, se pueden expresar con el recuento de megapíxeles, que es un dato digital. Si el cálculo para esto se realiza en las condiciones que subrayé anteriormente, se puede estipular un valor aproximado. Sin embargo, no debemos olvidar que el término “megapíxeles”No es más que un término que indica con cuántos píxeles se muestra una imagen tomada de una escena. Por supuesto, la imagen se mostrará con más detalles si el recuento de megapíxeles es alto, pero para compararla con la relación que corresponde al ojo humano, el sujeto debe considerarse como un material de investigación científica y debe analizarse en condiciones de laboratorio con pruebas.


¿Debería comprar un televisor 8K nuevo o esperar?

Quizás la primera pregunta que deberíamos habernos hecho es: ¿hay algo que ver en 8K? La respuesta no es mucho. Los directores de Hollywood han usado cámaras 8K e incluso se han lanzado algunas películas 8K que se pueden ver en cines, como Guardianes de la Galaxia Vol.2. En Japón, la cadena de televisión NHK transmite ocasionalmente en 8K, pero solo se pueden ver en algunos cines del país.

En el Consumer Electronics Show (CES) de 2018, las marcas con televisores 8K tuvieron que mostrar imágenes estáticas o videos en bucle muy cortos para mostrar el efecto completo de 8K, ya que no había mucho contenido listo para mostrar.


La resolución del ojo humano es de 576 megapíxeles

La retina humana promedio tiene cinco millones de receptores de cono. Dado que los conos son responsables de la visión del color, podría suponer que esto equivale a un equivalente de cinco megapíxeles para el ojo humano.

Pero también hay cien millones de varillas que detectan el contraste monocromático, lo que juega un papel importante en la nitidez de la imagen que ves. E incluso este 105MP es una subestimación porque el ojo no es una cámara fija.

Tiene dos ojos (¡no es broma!) Y continuamente se mueven para cubrir un área mucho más grande que su campo de visión y la imagen compuesta se ensambla en el cerebro, no muy diferente de unir una foto panorámica. Con buena luz, puede distinguir dos líneas finas si están separadas por al menos 0,6 minutos de arco (0,01 grados).

Esto da un tamaño de píxel equivalente de 0,3 minutos de arco. Si toma 120 grados conservadores como su campo de visión horizontal y 60 grados en el plano vertical, esto se traduce en & # 8230

576 megapíxeles de datos de imagen disponibles.

Curiosamente & # 8211 como contrapunto a esto & # 8211, la mayoría de la gente no puede distinguir la diferencia de calidad entre una foto de 300 ppp y una de 150 ppp cuando se imprime a 6 & # 2154 & # 8243, cuando se ve a distancias de visualización normales.

Entonces: aunque el ojo humano y el cerebro cuando se combinan pueden resolver cantidades masivas de datos, para fines de imágenes, una salida de 150 ppp es más que suficiente para proporcionar datos adecuados para que aceptemos el resultado como calidad fotográfica.

Pero no olvides que las mujeres tienen más conos y los hombres más varillas, no es broma. Por lo tanto, las mujeres ven los colores más brillantes que los hombres, pero no pueden ver tan bien cuando oscurece.

La nueva cámara del iPhone es de 8 megapíxeles. Mientras tanto, se informa que Canon está probando una nueva DSLR con 75 megapíxeles. Pero, ¿cuántos megapíxeles tiene el ojo humano? Es decir, ¿cuántos megapíxeles debería tener una imagen del tamaño de su campo de visión para parecer normal?

Bueno, como explica Vsauce en su último video, la mejor pregunta es en realidad: ¿Cuál es la resolución del ojo humano?

Es una pregunta complicada, una que debe tener en cuenta la peculiar anatomía del ojo que es diferente a la ingeniería menos peculiar de una cámara digital. Como tal, vale la pena ver los diez minutos del video, explicando no solo cómo vemos sino también qué tan bien. Spoiler: el ojo humano tiene 576 megapíxeles, pero en realidad solo importan unos 7 megapíxeles.


Pregunta: ¿Cuántos megapíxeles tiene el ojo humano?

Christina Obiero respondió el 23 de enero de 2017:

Hola Dolly da Gucci, esta es una pregunta difícil. Supongo que estás pensando en comparar la capacidad visual del ojo humano en términos de resolución (qué tan claras aparecen las imágenes cuando las vemos a simple vista) en comparación con las cámaras digitales. Es difícil compararlos, ya que las cámaras digitales se fabrican con ciertas especificaciones para capturar imágenes con diferentes resoluciones. Cuanto más megapíxeles tenga una cámara, mejor será la resolución de la imagen.
El ojo humano ve debido a la transmisión de luz a través de las estructuras del ojo (córnea, cristalino) a la retina y luego al cerebro a través del nervio óptico. Si las estructuras involucradas en la visualización de imágenes son normales, entonces vemos las imágenes como deberían aparecer. Si alguna de las estructuras tiene un problema, p. Si el cristalino está nublado (por ejemplo, en diabetes debido a niveles altos de azúcar en sangre), entonces el cristalino no enfocará bien la luz en la retina y el mensaje transmitido al cerebro se distorsionará, lo que hará que se vea una imagen borrosa.

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¿Realmente marcan la diferencia las cámaras de teléfono de 64 megapíxeles?

Ya se están comenzando a lanzar teléfonos con cámaras de 64 megapíxeles. En las últimas semanas, hemos visto el Realme XT, el Redmi Note 8 Pro de Xiaomi y el Vivo Nex 3 anunciados con el mismo sensor Samsung GW1 de 64 megapíxeles, y puede esperar que esto prolifere como lo hicieron las cámaras de teléfonos de 48 megapíxeles en todo el mundo. primera mitad del año.

Tengo el primero de estos teléfonos, el Realme XT, en la mano en este momento, así que pensé en tomar algunas fotos comparativas para ver qué ventaja puede aportar el sensor sobre los chips anteriores de 48 megapíxeles. El sensor Samsung es básicamente lo mismo pero más grande: los píxeles son del mismo tamaño y usan el mismo filtro, por lo que hay más de ellos en una superficie más grande. Así como los teléfonos de 48 megapíxeles toman fotos de 12 megapíxeles agrupadas en píxeles de forma predeterminada, estos teléfonos de 64 megapíxeles están diseñados para producir imágenes de 16 megapíxeles. Sin embargo, puede tomar fotografías de resolución completa si lo desea.

Realme 5 y 5 Pro anunciados con cámaras cuádruples y precios bajos

Para hacer la comparación más cercana posible, también tomé fotos con el Realme 5 Pro, un nuevo dispositivo Realme similar con el mismo procesador Snapdragon 712; esto debería significar teóricamente que estamos tratando con más o menos la misma canalización de imágenes. El 5 Pro utiliza el sensor de imagen de 48 megapíxeles de Sony en lugar del de Samsung, pero el sensor de 64 megapíxeles de Samsung ahora tiene la misma técnica de demostración de resolución completa que Sony; la parte anterior de 48 megapíxeles de la compañía no lo tenía.

Para ser claros, ninguno de estos está cerca de los teléfonos insignia, por lo que no debe esperar una calidad de imagen increíble en primer lugar. El Realme XT se vende por alrededor de $ 225 en India, mientras que el 5 Pro es incluso menos costoso por menos de $ 200. Pero este sensor de 64 megapíxeles se abrirá camino en teléfonos mucho más caros, por lo que vale la pena ver de lo que es capaz incluso en dispositivos de gama baja.

En primer lugar, aquí hay una foto a media tarde tomada al aire libre con buena iluminación, lo que debería darle al sensor la mejor oportunidad de resolver los detalles.

Si hace zoom hasta el final de la toma predeterminada de 16 megapíxeles, así verá el letrero en la distancia.

Ahora, aquí hay una comparación de los modos de alta resolución. Una muestra de la cámara de 48 megapíxeles del Realme 5 Pro está a la izquierda y el modo de 64 megapíxeles del XT está a la derecha.

Como puede ver, a pesar de un procesamiento de imágenes pesado por todas partes, la foto de 64 megapíxeles del XT es, con mucho, la mejor. Resuelve muchos más detalles y retiene más información de color.

Una peculiaridad que noté al probar la cámara XT en exteriores es que las fotos de resolución completa producen colores ligeramente diferentes. En todos los casos, la toma de 64 megapíxeles se tiñó un poco de rojo, mientras que las imágenes de 16 megapíxeles con resolución reducida tendían a ser más ecológicas, y descubrí que lo mismo ocurría con las imágenes de 48 megapíxeles de la 5 Pro.

Esto probablemente tenga algo que ver con el filtro de color del sensor, que utiliza un diseño estándar Bayer RGBG con bloques de 2x2 para cada "píxel" virtual. Las tomas de resolución completa utilizan un algoritmo de demostración para calcular la información de color de los píxeles reales, y supongo que esta técnica compensa en exceso el uso más amplio de verde en el filtro.

Puedes ver lo que quiero decir aquí.

A continuación, veamos el rendimiento con poca luz. Esta es la misma escena de antes, pero cerca de la medianoche.

Ninguno de los teléfonos produce detalles útiles a nivel de píxel con este tipo de luz, así que veamos el edificio de la derecha. Nuevamente, aquí hay recortes del 5 Pro de 48 megapíxeles (izquierda) y el XT de 64 megapíxeles (derecha).

El XT es significativamente más detallado y colorido, como lo era a la luz del día, pero esta vez puede ver los compromisos del procesamiento de imagen y ruido. Mire el letrero "Uchida" en la parte superior del edificio, por ejemplo: es más fácil de leer en el XT, pero la foto del 5 Pro es mucho más suave, con poco ruido cromático del que hablar.

Sorprendentemente, el modo predeterminado de 16 megapíxeles del XT no es una mejora, aunque se supone que ayuda con poca luz:

Es difícil hacer un juicio sobre el rendimiento respectivo de los sensores de cualquier manera. Quizás el 5 Pro podría haberse acercado al detalle del XT si hubiera tenido un toque más ligero con reducción de ruido. O tal vez el sensor de 48 megapíxeles de Sony simplemente tiene un enfoque diferente para manejar ISO altos.

Por último, veamos el modo nocturno "paisaje nocturno" de Realme:

Dado que las fotos en modo nocturno se construyen a partir de varias tomas de larga exposición, el efecto general es más importante que el detalle a nivel de píxel. Pero en mis pruebas, descubrí que el 5 Pro tendía a producir resultados más nítidos. Los modos nocturnos de ambos teléfonos le brindan imágenes de 12 megapíxeles y, en el caso del XT, la imagen se recorta ligeramente para lograr esto, lo que parece comprometer un poco la calidad. Por alguna razón, Realme no está intentando aprovechar el sensor de 64 megapíxeles en su modo nocturno.

En general, está claro que los sensores de 64 megapíxeles pueden producir resultados increíblemente detallados en buenas condiciones, ofreciendo un salto notable incluso sobre los sensores de 48 megapíxeles. Pero a menos que esté planeando hacer grandes impresiones de paisajes bañados por el sol, probablemente no sea una función tan útil para la mayoría de las personas. Estos teléfonos disparan a una cuarta parte de su resolución de forma predeterminada por una razón.

Recuerde que el iPhone 11 y el Pixel 3, que se considera que están en la cima de la calidad de la cámara del teléfono, logran arreglárselas con sensores más pequeños de 12 megapíxeles. El recuento de megapíxeles o incluso el tamaño del sensor físico no son tan significativos en este punto: el proceso de procesamiento de imágenes y la fotografía computacional marcan una diferencia mucho mayor en el rendimiento de la cámara de su teléfono.

Aún así, estoy bastante impresionado con las cámaras de estos dos teléfonos considerando sus precios. Dejando a un lado la resolución, producen fotos que hubieran sido impensables en dispositivos similares hace solo un par de años. Es posible que Google y Apple no tengan nada de qué preocuparse, pero este segmento del mercado está experimentando mejoras rápidas.


Mancha ocular

Nuestros editores revisarán lo que ha enviado y determinarán si deben revisar el artículo.

Mancha ocular, también llamado estigma, una región muy pigmentada en ciertos organismos unicelulares que aparentemente funciona en la recepción de luz. El término también se aplica a ciertas células sensibles a la luz en la epidermis (piel) de algunos animales invertebrados (por ejemplo, gusanos, estrellas de mar).

En el organismo unicelular verde Euglena, la mancha ocular se encuentra en el esófago, en la base del flagelo (una estructura locomotora en forma de látigo). Una masa en forma de copa de varillas de pigmento protege un área sensible de la base flagelar de la luz que proviene de la dirección del extremo opuesto del organismo. La región sensible a la luz aparentemente influye en el movimiento flagelar de tal manera que el organismo se mueve hacia la luz.

Este artículo fue revisado y actualizado más recientemente por Mic Anderson, Copy Editor.


¿Cuántos megapíxeles tiene Full HD?

Para comprender cómo se traducen los megapíxeles en Full HD, debemos comprender la diferencia entre ellos. En teoría, HD podría considerarse como una subcategoría del megapíxel. Por ejemplo, una cámara con más de un millón de píxeles es automáticamente una cámara de megapíxeles. La resolución más baja disponible es de 1280 x 1024 píxeles, mientras que algunas de las resoluciones de cámara más altas abarcan una cantidad de píxeles de 3648 x 2752 píxeles.

La definición de píxeles de una cámara HD es una resolución de 720p o 1080p. Ambos se refieren a la resolución horizontal que mencionamos anteriormente. Entonces, una cámara HD de 720p no se considera una cámara de megapíxeles. Sin embargo, esto no significa necesariamente que proporcionen menos calidad en lo que respecta al color y el video. Todo depende del tipo de cámara que necesites.


El ojo humano podría ayudar a probar la mecánica cuántica

Paul Kwiat pide a sus voluntarios que se sienten dentro de una habitación pequeña y oscura. A medida que sus ojos se adaptan a la falta de luz, cada voluntario apoya la cabeza en una mentonera, como lo haría con un optometrista y sus ojos, y la mano mira con un ojo una cruz roja tenue. A cada lado de la cruz hay una fibra óptica, colocada para canalizar un solo fotón de luz al lado izquierdo o derecho del ojo de un voluntario.

Incluso mientras verifica la capacidad del ojo humano y rsquos para detectar fotones individuales, Kwiat, un físico cuántico experimental de la Universidad de Illinois en Urbana & ndashChampaign, y sus colegas están poniendo sus miras más altas: usar la visión humana para investigar los fundamentos mismos de la mecánica cuántica, según a un documento que enviaron al servidor de preimpresión arXiv el 21 de junio.

En lugar de simplemente enviar fotones individuales hacia un ojo voluntario y rsquos a través de la fibra izquierda o derecha, la idea es enviar fotones en una superposición cuántica de atravesar eficazmente ambas fibras a la vez. ¿Los humanos verán alguna diferencia? De acuerdo con la mecánica cuántica estándar, no lo harán, pero nunca se ha realizado tal prueba. Si el equipo de Kwiat & rsquos produce resultados concluyentes que muestran lo contrario, cuestionaría nuestra comprensión actual del mundo cuántico, abriendo la puerta a teorías alternativas que abogan por una visión dramáticamente diferente de la naturaleza en la que la realidad existe independientemente de las observaciones u observadores, yendo a contracorriente de cómo se interpreta hoy la mecánica cuántica. "Posiblemente podría ser evidencia de que algo está sucediendo más allá de la mecánica cuántica estándar", dice Rebecca Holmes, ex alumna de Kwiat & rsquos que diseñó el equipo y que ahora es investigadora en el Laboratorio Nacional de Los Alamos.

El esfuerzo por determinar si los humanos pueden detectar directamente fotones individuales tiene una historia histórica. En 1941, investigadores de la Universidad de Columbia informaron en Ciencias el ojo humano puede ver un destello de tan solo cinco fotones que aterrizan en la retina. Más de tres décadas después, Barbara Sakitt, biofísica de la Universidad de California en Berkeley, realizó experimentos que sugerían que el ojo podía ver un solo fotón. Pero estos experimentos estaban lejos de ser concluyentes. "El problema con todos estos experimentos es que solo estaban tratando de usar fuentes de luz" quoclásicas "que no emiten fotones individuales de manera confiable, dice Holmes. Es decir, no había garantía de que cada uno de estos primeros ensayos involucrara solo un fotón.

Luego, en 2012, se encontraron pruebas firmes de que los fotorreceptores individuales, o células bastón, pueden detectar fotones individuales, al menos en los ojos de una rana. Leonid Krivitsky de la Agencia de Ciencia, Tecnología e Investigación de Singapur y sus colegas extrajeron células de bastón de ojos de ranas adultas y rsquo y realizaron pruebas de laboratorio que mostraban que las células reaccionaban a fotones individuales. Ahora, & ldquothere & rsquos absolutamente no hay duda de que los fotorreceptores individuales responden a fotones individuales & rdquo Kwiat. Eso no es lo mismo que decir que esos bastones hacen lo mismo en una rana viviente y mdashor, para el caso, en un ser humano. Entonces, Kwiat, junto con su colega físico de Illinois Anthony Leggett y otros, comenzaron a imaginar pruebas de visión humana utilizando fuentes de fotón único. Pronto, el grupo Kwiat & rsquos, que ahora incluía a Holmes, estaba realmente experimentando. Pero "nos vencieron", dice Holmes.

En 2016, un equipo dirigido por la biofísica Alipasha Vaziri, entonces de la Universidad de Viena, informó que utilizaba fuentes de fotón único para mostrar que los humanos pueden detectar un incidente de fotón único en su ojo con una probabilidad significativamente superior a la probabilidad.

El equipo de Kwiat & rsquos, algo escéptico del resultado, quiere mejorar las estadísticas haciendo un número mucho mayor de ensayos con muchos más sujetos. Su principal preocupación es la baja eficiencia del ojo como detector de fotones. Cualquier fotón incidente tiene que pasar por la córnea, la capa exterior transparente del ojo, que refleja parte de la luz. Luego, el fotón ingresa a una lente que, junto con la córnea, enfoca la luz en la retina en la parte posterior del ojo. Pero entre el cristalino y la retina hay una sustancia transparente similar a un gel que le da al ojo su forma y esto también puede absorber o dispersar el fotón. Efectivamente, menos del 10 por ciento de los fotones que golpean la córnea llegan a los bastones de la retina, lo que resulta en señales nerviosas que viajan al cerebro y causan la percepción. Por lo tanto, obtener resultados estadísticamente significativos que superen el azar es un desafío abrumador. "Esperamos tener una respuesta definitiva en los próximos seis meses", dice Kwiat.

Eso no les ha impedido soñar con nuevos experimentos. En la configuración estándar, un espejo medio plateado dirige un fotón hacia la fibra izquierda o derecha. El fotón luego aterriza en un lado u otro de la retina de un voluntario y rsquos, y el sujeto tiene que indicar cuál mediante el uso de un teclado. Pero es trivial (usando óptica cuántica) colocar el fotón en una superposición de pasar a través de ambas fibras, y en ambos lados del ojo, a la vez. Lo que ocurra a continuación depende de lo que uno crea que le sucede al fotón.

Los físicos describen un estado cuántico de fotones y rsquos utilizando una abstracción matemática llamada función de onda. Antes de que el fotón superpuesto golpee el ojo, su función de onda se extiende y el fotón tiene la misma probabilidad de ser visto a la izquierda o a la derecha. La interacción del fotón y el rsquos con el sistema visual actúa como una medida que se cree que `` colapsa '' la función de onda, y el fotón termina aleatoriamente en un lado o en el otro, como una moneda lanzada que sale al aire y sale `` quotails '' o `` cabezas ''. ¿Verían los humanos una diferencia en el fotón cuenta a la izquierda frente a la derecha cuando se perciben fotones superpuestos en comparación con los fotones en los estados clásicos? "Si confías en la mecánica cuántica, entonces no debería haber diferencia", dice Kwiat. Pero si su experimento encuentra una diferencia irrefutable y estadísticamente significativa, señalaría que algo anda mal con la física cuántica. & ldquoEso sería un gran. Sería un resultado trascendental ”, añade.

Tal resultado apuntaría hacia una posible resolución de la preocupación central de la mecánica cuántica: el llamado problema de medición. No hay nada en la teoría que especifique cómo las mediciones pueden colapsar la función de onda, si es que las funciones de onda colapsan. ¿Qué tamaño debe tener el aparato de medición? En el caso del ojo, ¿serviría una célula de varilla individual? ¿O se necesita toda la retina? ¿Y la córnea? ¿Podría un observador consciente necesitar estar en la mezcla?

Algunas teorías alternativas resuelven este problema potencial invocando el colapso independientemente de los observadores y los dispositivos de medición. Considere, por ejemplo, el modelo de colapso & ldquoGRW & rdquo (llamado así por los teóricos Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini y Tullio Weber). El modelo GRW y sus muchas variantes postulan que las funciones de onda colapsan espontáneamente cuanto más masivo es el objeto en superposición, más rápido colapsa. One consequence of this would be that individual particles could remain in superposition for interminably long times whereas macroscopic objects could not. So, the infamous Schrödinger&rsquos cat, in GRW, can never be in a superposition of being dead and alive. Rather it is always either dead or alive, and we only discover its state when we look. Such theories are said to be &ldquoobserver-independent&rdquo models of reality

If a collapse theory such as GRW is the correct description of nature, it would upend almost a century of thought that has tried to argue observation and measurement are central to the making of reality. Crucially, when the superposed photon lands on an eye, GRW would predict ever-so-slightly different photon counts for the left and the right sides of the eye than does standard quantum mechanics. This is because differently sized systems in the various stages of the photon&rsquos processing&mdashsuch as two light-sensitive proteins in two rod cells versus two assemblies of rod cells and associated nerves in the retina&mdashwould exhibit different spontaneous collapse rates after interacting with a photon. Although both Kwiat and Holmes stress it is highly unlikely they will see a difference in their experiments, they acknowledge that any observed deviation would hint at GRW-like theories.

Michael Hall, a theoretical quantum physicist at the Australian National University who was not part of the study, agrees GRW would predict a very small deviation in the photon counts, but says such deviations would be too tiny to be detected by the proposed experiment. Nevertheless, he thinks any aberration in the photon counts would deserve attention. &ldquoIt would be quite serious. I find that unlikely but possible,&rdquo he says. &ldquoThat would be amazingly interesting.&rdquo

Kwiat also wonders about the subjective perception of quantum states versus classical states. &ldquoIs there any perceptual difference on the part of the person when they directly observe a quantum event?&rdquo he asks. &ldquoThe answer is &lsquoprobably not,&rsquo but we really don&rsquot know. You can&rsquot know the answer to that unless either you have a complete physical model down to the quantum mechanical level of what&rsquos going on in the human visual system&mdashwhich we don&rsquot have&mdashor you do the experiment.&rdquo

Robert Prevedel, a member of Vaziri&rsquos 2016 team who is now at the European Molecular Biology Laboratory in Germany, is more interested in teasing out exactly where collapse actually occurs in the chain of events. Does it happen at the beginning, when a photon strikes a rod cell? Or in the middle, with generation and transmission of neural signals? Or does it happen at the end, when the signals register in conscious perception? He suggests firing superposed photons at extracted retinas and recording from different levels of visual processing (say, from rod cells or from the different types of photo cells that make up the retina) to see how long the superposition lasts.

Prevedel thinks first absorption by a rod should destroy the photon&rsquos superposition. But &ldquoif we can see quantum [superposition] in any of the subsequent levels inside the different cell layers in the retina, or any downstream neuronal circuits even, that would be really a breakthrough,&rdquo he says. &ldquoThis would be an amazing finding.&rdquo

There is, of course, an elephant in the room: human consciousness. Could conscious perception ultimately cause the collapse of the quantum state, making the photon show up on one or the other side? Prevedel doubts consciousness has anything whatsoever to do with measurement and collapse.


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