Mums reikia kvantinės fizikos, kad pamatytume

"Daugelis žmonių, susidūrę su žodžiais "kvantinė mechanika", suvokia perspėjimą dėl ezoterinių paradoksų. Ir tokių tikrai yra daug. Tačiau kartais, kaip pasakė mano puikus draugas fizikas Sidney Coleman per garsią paskaitą Harvarde, kvantinė fizika yra „jūsų veide“.

 

     Vizija, ypač mūsų spalvų suvokimas, yra puikus to pavyzdys. Pagrindinės jo savybės atspindi kvantinius principus ir be jų būtų nesuprantamos. Tai aiškiai išryškėja, jei lyginame regėjimą su klausa, kur kvantiniai efektai neveikia.

 

     Norėdami išgirsti, mes jaučiame slėgio bangas, paprastai vadinamas garso bangomis, kurios atsitrenkia į mūsų ausies būgnelius. Garso bangos, nukreiptos per įspūdingą natūralią mechaninę inžineriją, sukelia virpesius mūsų vidinės ausies membranose. Šios membranos veikia, kaip atvirkštinių fortepijonų poros klaviatūros: garsai groja klavišais! Neuronai šaudo reaguodami į klavišų judesius, generuodami signalus, kuriuos mūsų smegenys interpretuoja, kaip muziką, kalbą ar bet ką.

 

     Šiame procese pažymėtini du dalykai. Pirma, mes natūraliai dekonstruojame gaunamų bangų modelį į grynų tonų komponentą. Matematikai išmoko panaudoti lygtis, kad atliktų šį žygdarbį XIX amžiuje ir pavadino tai Furjė analize. Tai panašu į tai, ką daro spektrometrai, pradedant Izaoko Niutono prizmėmis ir baigiant sudėtingais šiuolaikiniais instrumentais, bet ne mūsų akims, kad atskirtų šviesą į jos komponentų dažnius.

 

     Antra, atsakymas įvertinamas: kuo garsesnis tonas, tuo stipresnis atitinkamo klavišo judesys. Tai tarsi tinkamas fortepijonas, kuriame klavišo spaudimas lemia, ar jis duoda garsesnį ar švelnesnį atsaką, priešingai, nei klavesinas, kurio stygas galima patraukti tik su pastovaus garso išgavimu.

 

     Regėjimas abiem būdais radikaliai skiriasi nuo klausos. Šviesa vibruoja greičiau, nei gali valdyti mechaninė inžinerija, tačiau mūsų vizualinis aparatas gali išnaudoti tai, kad ji gaunama energijos paketais – fotonais – ir tai gali sukelti molekulių formų pokyčius [1]. Dabar mes kalbame apie kvantinę teoriją.

 

     Daugeliui žmonių spalvų regėjimas apima trijų rūšių receptorių baltymus tinklainės kūginėse ląstelėse. Fotonai arba sukelia formos pokyčius, arba ne; poveikis yra „viskas arba nė vienas“, nėra įvertintas. Ir, paprastai kvantinei mechanikai, jie yra atsitiktiniai: negalime tiksliai numatyti, ar tam tikras fotonas suaktyvins tam tikrą receptorių, bet tik pateikia tikimybę. Šie šansai priklauso nuo fotono bangos ilgio, ty nuo jo atstovaujamo spalvos tono, ir nuo to, kokio tipo receptorių baltymai dalyvauja.

 

     Tai, ką regos neuronai gali „matyti“, palyginti su tvirta atvirkštinio klausos fortepijono dinamika, labiau primena prastai sureguliuoto klavesino klaviatūrą su tik trimis klavišais.

 

     Kadangi daug skirtingų fotonų derinių gali sukurti tą patį tikimybių modelį, daugelis fiziškai skirtingų apšvietimo modelių sukuria tą patį spalvų suvokimą. Tokiu būdu mes visi esame giliai daltonikai.

 

     Silpnoje šviesoje susiduriame su kita mūsų regėjimo riba, kylančia dėl nenuspėjamo fotonų elgesio. Kai reikia dirbti tik su keliais fotonais, kūgio ląstelės tampa nepatikimos, ir mes pereiname prie naktinio matymo, pagrįsto skirtingomis ląstelėmis, lazdelėmis. Naktinis klavesinas turi tik vieną klavišą, todėl mes suvokiame tik pilkus, šviesesnius ar tamsesnius atspalvius, priklausomai nuo to, kaip dažnai tas klavišas suveikia.

 

     Pagrindiniai regėjimo apribojimai kyla dėl jo priklausomybės nuo kvantinių procesų. Tačiau toks informacijos trykštimas iš išorinio pasaulio, kad net ir susilpnintas srautas mūsų smegenims tiekia pakankamai medžiagos, kad būtų galima sukurti puikų filmą. Kvantinė mechanika toli gražu nėra nutolusi ir ezoteriška, o „jūsų veide“ – tiksliau, akies tinklainėje." [2]

 

1. „Kas nutinka svarbiai vizualinio aparato daliai, rodopsinui, kai su juo sąveikauja šviesos fotonai?

 

Kai rodopsino molekulėje esanti tinklainės dalis sugeria fotoną, jo komponento retinalio konfigūracija pasikeičia iš 11-cis izomero į visą trans izomerą; tada šis pokytis sukelia daugybę molekulės baltymų komponento pokyčių."

Kaip atrodo šie izomerai, galima pamatyti čia: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:1415_Retinal_Isomers.jpg#/media/File:1415_Retinal_Isomers.jpg

2. REVIEW --- Wilczek's Universe: We Need Quantum Physics to See. Wilczek, Frank. 
Wall Street Journal, Eastern edition; New York, N.Y. [New York, N.Y]. 20 May 2023: C.4.

We Need Quantum Physics to See

"Many people, when they encounter the words "quantum mechanics," go on the alert for esoteric paradoxes. And there are certainly plenty of those on offer. But sometimes, as my brilliant friend the physicist Sidney Coleman put it in a famous lecture at Harvard, quantum physics is "in your face."

Vision, especially our perception of color, is an outstanding example of that. Its most basic features reflect quantum principles and would be incomprehensible with them. This emerges clearly if we compare vision with hearing, where quantum effects aren't in play.

To hear, we sense pressure waves, commonly called sound waves, which impinge on our eardrums. Channeled through some impressive natural mechanical engineering, sound waves set off vibrations on the membranes of our inner ears. Those membranes work like the keyboards of a pair of inverse pianos: The sounds play the keys! Neurons fire in response to the keys' motion, generating the signals that our brains interpret as music, speech or whatever.

Two things are noteworthy in this process. First, we naturally deconstruct the incoming wave pattern into its component of pure tones. Mathematicians learned how to use equations to perform that feat in the 19th century and they call it Fourier analysis. It is similar to what spectrometers, ranging from Isaac Newton's prisms to sophisticated modern instruments -- but not our eyes -- do to separate light into its component frequencies.

Second, the response is graded: The louder a tone, the more forceful the motion of the corresponding key. This is like a proper piano, where the pressure on a key determines whether it gives a louder or softer response, as opposed to a harpsichord, whose strings can only be plucked at a constant volume.

Vision differs radically from hearing in both ways. Light vibrates faster than mechanical engineering can handle, but our visual apparatus can exploit the fact that it comes in packets of energy -- photons -- which can trigger changes in the shapes of molecules [1]. Now we're talking quantum theory.

For most people, color vision involves three kinds of receptor proteins in the cone cells of the retina. Photons either induce shape changes or don't; the effect is all-or-none, not graded. And, typically for quantum mechanics, they are chancy: We can't predict exactly whether a given photon will trigger a given receptor, but only supply odds. Those odds depend on the photon's wavelength -- that is, the color tone it represents -- and which type of receptor protein is involved.

What visual neurons get to "see," compared with the robust dynamics of the inverse piano of hearing, is more like the keyboard of a poorly tuned harpsichord with only three keys.

Since many different combinations of photons can produce the same pattern of probabilities, many physically distinct patterns of illumination produce the same color perception. In this way, we are all profoundly colorblind.

In dim light, we run into another limit of our vision, stemming from the unpredictable behavior of photons. When there are only a few photons to work with, the cone cells become unreliable, and we switch over to night vision based on different cells, the rods. The nocturnal harpsichord has only one key, so we perceive only shades of gray, lighter or darker, according to how frequently that key triggers.

Fundamental limitations of vision follow from its reliance on quantum processes. Yet such is the gush of information from the external world that even an attenuated stream supplies enough material for our brains to manufacture a splendid motion picture. Far from being remote and esoteric, quantum mechanics is very much "in your face" -- in your retina, to be precise." [1]

1. “What happens to an important part of visual apparatus, rhodopsin, when photons of light interact with it?

When the retinal moiety in the rhodopsin molecule absorbs a photon, its configuration changes from the 11-cis isomer to all-trans retinal; this change then triggers a series of alterations in the protein component of the molecule.”

How do retinal isomers look is shown in this picture: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:1415_Retinal_Isomers.jpg#/media/File:1415_Retinal_Isomers.jpg

2. REVIEW --- Wilczek's Universe: We Need Quantum Physics to See. Wilczek, Frank. 
Wall Street Journal, Eastern edition; New York, N.Y. [New York, N.Y]. 20 May 2023: C.4.