Меню

Как увидит инфракрасный свет



Незримый свет. Когда человек может видеть инфракрасное излучение?

Результаты последних исследований показывают, что так называемый видимый диапазон электромагнитного излучения можно расширить: оказывается, человек может в некоторых случаях видеть инфракрасный свет, несмотря на то, что он считается полностью невидимым для нашего глаза.

Серия экспериментов продемонстрировала, что подобный эффект возникает в результате того, что два инфракрасных фотона одновременно попадают на один пигментный белок глаза. Из-за этого выделяется энергия, инициирующая химические изменения, которые позволяют нам увидеть первоначально невидимый свет.

Наука гласит, что глаз человека способен разглядеть электромагнитные волны с длиной волны от 400 нанометров (синий свет) до 720 нанометров (красный свет). Тем не менее, известны случаи, когда люди видели специфический инфракрасный лазерный свет с длиной волны более 1000 нанометров и интерпретировали его как белый, зелёный или другие цвета.

Кшиштоф Палчевский, фармаколог университета Кейс Вестерн Резерв, говорит, что он видит свет с длиной волны около 1050 при низком уровне энергии лазера.

«Бывает, что такое излучение можно увидеть невооружённым глазом», — утверждает Палчевский в пресс-релизе.

Вместе со своими коллегами фармаколог выступил в роли ведущего автора нового исследования. Чтобы проверить, является ли чувствительность к инфракрасному свету уникальной для некоторых людей или же она встречается довольно часто,

Палчевский решил провести эксперимент. Он пригласил в свою лабораторию 30 здоровых добровольцев, которым провёл сканирование сетчатки пучком света низкого уровня энергии. Длина волны света периодически изменялась. Когда длина волны была доведена до уровня инфракрасного излучения, участники поначалу не видели света, но затем стали сообщать о том, что видят пучок.Длина волны на тот момент составляла более 1000 нанометров.

Это феноменальное явление оказалось присуще людям в целом, и Палчевский задался вопросом: как человек может видеть свет, который в принципе считается незримым? Существует две возможные гипотезы, которые способны объяснить этот феномен.

Первая из них предполагает, что свет с большой длиной волны попадает на коллагеновые волокна соединительной ткани глаза, тогда небольшое количество энергии излучения превращается в фотоны с длиной волны около половины длины волны первичного света. Это явление называется генерацией второй гармоники (ГВГ). Сетчатка затем детектирует этот видимый свет и заставляет мозг думать, что он пришел прямо из источника.

Вторая гипотеза гласит, что «инфракрасное зрение» является результатом явления, известного как двухфотонная изомеризация. Молекулы фоторецепторов в глазу поглощают энергию отдельных фотонов в обычном видимом диапазоне. Это побуждает молекулы изменить свою форму и вызвать цепь событий, которая позволяет нам видеть незримое излучение.

Но если два фотона, несущие каждый по половине энергии — и, следовательно, вдвое меньшую длину волны — попадают в глаз одновременно, то их энергии суммируются и, возможно, вызывают такую же изомеризацию, как и единичный «видимый» фотон.

Для проверки первой гипотезы Палчевский и его команда удалили коллаген из сетчатки глаза мыши и измерили реакцию животных на свет различных длин волн. Но сетчатка мыши среагировала на 1000-нанометровый лазерый так же, как и сетчатка человека с присутствующим коллагеном. Эти результаты позволили предположить, что генерация второй оптической гармоники в данном случае роли не играет.

Другое доказательство неверности первой гипотезы обнаружилось в ходе дополнителного опыта на мышах. Исследователи взяли кристаллы фоторецепторов белка родопсина у мышей и подвергли их воздействию инфракрасного излучения. Под светом с длиной волны в 1000 нанометров кристаллы изменили свой цвет с красного на жёлтый.

Если бы ГВГ была причиной изменения цвета, то спектр света, излучаемый кристаллами родопсина, имел бы характерный отпечаток, но ничего подобного исследователи не увидели.

Читайте также:  Как подключить сенсорный выключатель света с алиэкспресс

Учёные пока не имеют экспериментальных доказательств в пользу второй гипотезы, утверждающей, что инфракрасное зрение объясняется двухфотонной изомеризацией. Тем не менее, компьютерное моделирование показало, что именно такое объяснение является пока единственно верным.

Квантово-химические расчёты демонстрируют, что родопсин может поглотить два низкоэнергетических фотона. При этом возбуждённое состояние двух фотонов в момент столкновения будет таким же, что и при попадании на белок глаза одного фотона видимого света.

Те же расчёты показывают, что двойная абсорбция должна достичь своего пика между 1000 и 1100 нанометрами, а это полностью согласуется с экспериментальными наблюдениями.

Источник

Человеческий глаз может видеть «невидимый» инфракрасный свет

Любой ученый, если вы его спросите, скажет, что мы не можем видеть инфракрасный свет. Как и рентгеновские лучи и радиоволны, инфракрасные световые волны находятся за пределами видимого спектра. Однако международная команда ученых из Вашингтонского университета обнаружила, что при определенных условиях сетчатка глаза может ощутить инфракрасный свет.

Используя клетки сетчатки мышей и людей, а также мощные лазеры, испускающие импульсы инфракрасного света, исследователи обнаружили, что когда лазерный свет пульсирует быстро, светочувствительные клетки сетчатки иногда получают двойной удар инфракрасной энергии. Когда это происходит, глаз может обнаруживать свет, который выходит за пределы видимой области спектра.

«Мы используем данные, полученные в ходе этих экспериментов, чтобы разработать новый инструмент, который позволит врачам не только изучить глаз, но и стимулировать отдельные части сетчатки, чтобы определить, нормально ли она функционирует, — говорит старший исследователь Владимир Кефалов, адъюнкт-профессор офтальмологии и визуальных наук в Университете Вашингтона. — Мы надеемся, что в конечном счете это открытие будет иметь некоторые практические применения».

Результаты работы были опубликованы 1 декабря в трудах Национальной академии наук (PHAS). В работе принимали участие ученые из Кливленда, Польши, Швейцарии и Норвегии.

Исследование было инициировано после того, как ученые исследовательской группы сообщили, что видели случайные вспышки зеленого света, работая с инфракрасным лазером. В отличие от лазерных указок, которые используются в качестве игрушек или в лекционных залах, мощный инфракрасный лазер, с которым работали ученые, как полагали, испускает свет, невидимый для человеческого глаза.

«Им удалось увидеть свет лазера, который был за пределами нормального видимого диапазона, и мы захотели выяснить, как им удалось увидеть свет, который должен был быть невидимым», — рассказал Франс Винберг, доктор наук и один из ведущих авторов работы.

Винберг, Кефалов и их коллеги изучили научную литературу и подняли сообщения людей, которые утверждали, что видели инфракрасный свет. Затем повторили предыдущие эксперименты, в ходе которых это происходило, и проанализировали данные.

«Мы экспериментировали с лазерными импульсами различной длительности, которые доставляло одно и то же количество фотонов, и обнаружили, что чем короче импульс, тем вероятнее, что человек его увидит, — объяснил Винберг. — Хотя продолжительность импульсов была столь мала, что невооруженным глазом их отметить невозможно, они позволяют людям видеть этот невидимый свет».

Франс Винберг и Владимир Кефалов

Как правило, частица света (фотон) поглощается сетчаткой, которая затем создает молекулу — фотопигмент, которая начинает процесс преобразования света в зрение. Обычно каждый из множества фотопигментов поглощает один фотон.

Но если упаковать много фотонов в короткий импульс быстро пульсирующего лазера, есть шанс, что одновременно один фотопигмент уловит два фотона, и объединенная энергия двух частиц света активирует пигмент и позволит глазу увидеть то, что в обычном состоянии невидимо.

«Видимый спектр включает волны света длиной 400-720 нанометров, — объясняет Кефалов. — Но если молекула пигмента в сетчатке одновременно улавливает пару фотонов длиной 1000 нанометров, эти частицы света доставляют то же количество энергии, что и один 500-нанометровый фотон, который хорошо заметен в видимом спектре. Вот как мы можем видеть инфракрасный свет».

Хотя эти исследователи первыми сообщили о том, что глаз может воспринимать свет таким образом, идея использования менее мощного лазерного света, чтобы сделать вещи видимыми, не нова. Двухфотонный микроскоп, к примеру, использует лазеры для выявления флуоресцентных молекул глубоко в тканях. Ученые говорят, что также работают над применением двухфотонного подхода в новом типе офтальмоскопа, инструмента, который помогает врачам исследовать внутреннюю часть глаза.

Читайте также:  Сколько раз говорили что будет конец света

Идея заключается в том, что испуская инфракрасные импульсы лазером в глаз, врачи могли бы стимулировать части сетчатки, чтобы узнать больше о ее структуре и функции в здоровых глазах и помочь людям с заболеваниями сетчатки, например, дегенерацией желтого пятна.

Источник

Ученые нашли способ сделать видимым инфракрасное излучение

Научные исследования проводились силами Университета ИТМО, Алферовского университета, а также Швейцарской высшей технической школы Цюриха.

В пресс-службе ИТМО отмечают, что обычный лазерный луч человеческий глаз может увидеть, например, если навести этот луч на тетрадный лист. Инфракрасные волны длиннее, и увидеть их таким способом не получится, в какой-то момент луч просто прожжет бумагу.

Для инфракрасного диапазона несколько лет назад были изобретены специальные карточки из редких металлов. Они поглощают инфракрасное излучение и делают его видимым. Но эти карточки довольно дороги, у них ограниченный срок службы и подходят они не для всех приборов. А инфракрасное изучение применяется во множестве отраслей. В Университете ИТМО говорят, что только в вузе имеется более сотни установок с ИК-лучами.

И периодически возникают ситуации, когда приборы проверяются, а значит, луч надо увидеть. Устав от дорогих карточек с коротким сроком службы, международная научная группа создала специальный инфракрасный визуализатор.

В основе разработки — нитевидные нанокристаллы из фосфида галлия. Этот материал интересен тем, что из-за того, что его кристаллическая решетка не симметрична по центру, он может в два раза уменьшать длину волны. Благодаря этому свойству нанокристаллы фосфида галлия являются универсальными, они могут работать в самых разных спектрах.

Ученые вырастили кристаллы на подложке, залили их тонким слоем полимера. Затем кристаллы были аккуратно оторваны от подложки, и получилась тонкая полупрозрачная пленка: она свободно пропускает инфракрасные лучи, а за счет уменьшения длины волны, луч становится виден человеческому глазу.

Важно и то, что мембрана, в отличие от карточек, не преграждает дорогу лучу. Это упрощает применение нового материала и может позволить сделать диагностику сложного оборудования более точной.

Материалы исследования опубликованы в журнале ACS Nano.

Источник

Как увидеть инфракрасное излучение

Инфракрасный свет можно увидеть, если его импульсы будут короткими – тогда фотопигменты глаза получат достаточно фотонов, чтобы отреагировать на них и запустить передачу нервного импульса.

Мы знаем, что инфракрасное излучение не видно невооружённому человеческому глазу, или, говоря боле специальным языком, что оно находится за пределами видимой области электромагнитного спектра. Однако в некоторых случаях, как оказывается, инфракрасный свет можно увидеть.

Владимир Кефалов и его сотрудники из Вашингтонского университета в Сент-Луисе (США) заметили, что во время экспериментов с инфракрасным лазером они время от времени видят зелёные вспышки. (На всякий случай ещё раз подчеркнём, что речь идёт о невидимом инфракрасном излучении, а не о красном свете от лазерной указки.) Эксперимент повторили при разных условиях, чтобы понять, когда именно появляются видимые вспышки; одновременно в литературе искали похожие случаи, когда человек был способен увидеть «что-то инфракрасное».

Читайте также:  Что будет если снять счетчик света

Выяснилось, как пишут авторы работы в Proceedings of the National Academy of Sciences, что «видимость» инфракрасного излучения зависела от длительности импульса: при одном и том же общем количестве фотонов более короткие импульсы с какого-то момента делались видимыми. Эксперимент повторили с клетками сетчатки мышей и человека, и результат оказался тот же: клетки чувствовали инфракрасный свет, если его подавали короткими импульсами.

Мы чувствуем световые электромагнитные волны благодаря работе пигментных молекул, которые ловят фотоны и запускают нейрохимический импульс, отправляющийся в мозг. Энергией, достаточной для возбуждения пигментной молекулы, обладают фотоны видимого света. Но если два инфракрасных фотона достаточно быстро попадут на пигментную молекулу в сетчатке, то у них есть все шансы вызвать реакцию: двойной удар «невидимых» фотонов окажется равен одному удару фотона «видимого». В перспективе этот феномен может найти применение в разработке оптических приборов, в том числе и медицинских – уже сейчас исследователи работают над новой моделью офтальмоскопа, которая позволила бы с помощью такой двухфотонной схемы получить более детальную информацию о том, что происходит в глазу.

Источник

«Увидеть» инфракрасный свет

Нейрофизиологи из Университета Дьюка (США) М. Николелис и Э. Томсон пытаются снабдить чувством инфракрасного излучения лабораторных крыс. В предыдущих экспериментах, проведенных в 2013 г., они соединили датчик инфракрасного излучения, который размещался у крысы на голове, с соматосенсорной зоной коры (центр осязания) головного мозга крыс. Датчик принимал инфракрасное излучение, передавал об этом электрический сигнал в мозг животного, и крысы воспринимали волны инфракрасного диапазона как физическое ощущение. Поначалу крысы реагировали беспокойно: начинали чиститься и потирать усы. Но довольно быстро они прекращали волноваться и адаптировались к новому чувству.

Ученые ставили зверькам обучающие задачи – например, крысы должны были находить по «инфракрасному лучу» миску с водой. В разных вариантах эксперимента обучение длилось разное время – больше месяца в случае, когда крысе имплантировали единичный электрод, и всего 4 дня, когда система имплантированных электродов позволяла животному воспринимать инфракрасное излучение с углом «обзора» 360 градусов.

Затем исследователи сменили место локализации имплантата и внедрили его крысам не в соматосенсорную, а в зрительную кору. Крысы, получавшие «визуальный» аналог восприятия инфракрасного цвета, научились связывать инфракрасное свечение с местонахождением поилки всего за один день.

Очень важно, что внедрение в мозг устройств, обеспечивающих дополнительное восприятие, не дало помех на существующие органы чувств, иначе пришлось бы отказаться от любого потенциального терапевтического приложения этой разработки. Но, похоже, что восприятие инфракрасного излучения хорошо интегрируется как со зрением, так и с осязанием; ни зрительная, ни соматосенсорная кора не становится «инфракрасной корой», она способна выполнять обе задачи одновременно.

Такой уровень пластичности мозга, причем, мозга взрослого организма, оказался довольно поразительным для ученых. То, что мозг крысы так легко воспринял новый, абсолютно чужой для него тип информации, позволяет надеяться и на то, что пластичность человеческого мозга окажется не менее высокой. Таким образом, эти эксперименты обнадеживают специалистов в области нейропротезирования, а именно разработчиков сенсорных протезов. Такие протезы могут помочь восстановить утерянные сенсорные способности (например, если из-за повреждения зрительной коры утрачено зрение), задействуя другие зоны мозга. С другой стороны (если помечтать), эти работы открывают путь к возможности наделять здоровых людей дополнительными органами чувств.

Источник