人类能否用肉眼看到单个光子？

一项测试人类视觉极限的实验提供了迄今为止最强有力的证据，证明我们的眼睛能够探测到非常微弱的光——只有三个光子。

这项研究旨在通过向一个坐在黑暗房间里的人的眼睛发射光子来找出一个光子是否能被人类肉眼探测到。

2015年6月10日，美国伊利诺伊大学的物理学家丽贝卡·霍姆斯在美国物理协会的一次会议上介绍了她的研究团队的实验结果。霍姆斯还希望能够探测到人眼是否能够记录量子效应，比如一个光子同时出现在两个地方。

自20世纪40年代以来，研究人员一直试图找到人类能探测到的最少光子数。视网膜上的杆状细胞特别负责在黑暗中观察事物，对光极其敏感。

青蛙视网膜上的单个杆状细胞实验表明，杆状细胞对单个光子有反应。然而，由于视网膜处理信息以减少噪声引起的假警报，所以向视网膜发射单个光子可能不会被转换成信号传输到大脑，从而使人们意识到光的存在。此外，超过90%进入眼睛的光子——可能高达97%的光子——不会到达杆状细胞。它们可能会被眼睛的其他部位吸收或反射，例如角膜，因此不会被检测到。

先前的实验表明，人类视觉的极限在两到七个光子之间。然而，这个结论只是初步的，因为研究人员还没有发现每束光包含多少光子，而只是估计了一个大致的范围。

但是现在霍尔姆斯能够利用量子光学实验室的技术精确计算出一束激光中包含多少光子。从来没有人以这种方式测试过人类的视觉。

霍姆斯和她的同事向黑暗房间中志愿者的眼睛发出不同光子数的光，要求他们说出光是从左边还是从右边发出的——尽管这些志愿者可能什么也看不见。福尔摩斯说道，“我已经多次参加过这个实验。在黑暗中坐一个小时后，你的神经会松弛下来，说‘我不确定我是否看到了什么’。”

为了测试人们是否能感知由三个光子组成的光，研究人员使用包含30个光子的光来引导志愿者的眼睛，因为他们估计，平均来说，10%的光子可以穿过眼睛的其他结构到达视网膜。志愿者说定位光线的概率超过了随机猜测的概率。霍姆斯说，这表明志愿者们至少看到了一部分只包含三个光子的光。

瑞士日内瓦大学的量子光学研究员Nicolas Gisin说，实验结果是迄今为止人类能够探测到三个光子的最好证据。霍姆斯补充说，她的团队还没有收集到足够的数据来显示人类是否能看到一个光子。

为了测试量子效应，该小组还希望尝试一次向志愿者的眼睛发射一个光子，而不是30个，从而大大降低被探测到的概率。为了提高志愿者发现光子的概率，他们还可以根据脑电波活动发射光子。脑电波活动与注意力增强的短时间窗一致，大约每秒10次。霍姆斯正试图使用脑电图设备来帮助实验。

吉辛率先进行实验，以了解人眼对量子奇怪现象的反应。他说，尽管我们都知道光子同时出现在多个位置的量子效应，但让人们参与实验“将使我们更深入地理解量子现象”。

获得诺贝尔奖的理论物理学家安东尼·莱格特说，量子奇异现象将在原子和人类尺度之间的某个阶段消失。“我们不知道它是在哪个阶段消失的，也不知道它是如何消失的。”他说霍姆斯的研究可能会给我们一个量子物理学的标准解释。量子物理学假设，当同时处于两个位置的光子接触传感器时，无论传感器是人工光子计数器还是棒状细胞，都不可避免地会选择这两个位置中的一个。

但是意大利的里雅斯特大学的物理学家安吉洛·巴西说，基本上光子的每一个成员都会撞击杆状细胞，并在大脑中留下印象。

(小蝌蚪君是大卫·卡斯特尔韦奇从nature.com编译的。请标记源蝌蚪员工为重印。)