Em formação

Os humanos podem ver diretamente alguns fótons por vez? Um humano pode ver um único fóton?


Não estou fazendo a seguinte pergunta: os humanos podem algum dia ver um fóton da mesma forma que vemos uma cadeira?

Minha pergunta é: a retina humana pode responder a um único fóton? Em caso afirmativo, como isso acontece e por que a retina é capaz de "sentir" (detectar) um único fóton?


Uma única molécula de rodopsina (na verdade o cis-retinal ligado a ela) pode e realmente reage a um fóton (Purves et al. Capítulo: Fototransdução em Neurociência).

Estima-se que uma única molécula de rodopsina ativada por luz pode ativar 800 moléculas de transducina, cerca de 8% das moléculas da superfície do disco. Embora cada molécula de transducina ative apenas uma molécula de fosfodiesterase, cada uma delas é, por sua vez, capaz de catalisar a quebra de até seis moléculas de cGMP. Como resultado, a absorção de um único fóton por uma molécula de rodopsina resulta no fechamento de aproximadamente 200 canais iônicos, ou cerca de 2% do número de canais em cada bastonete que estão abertos no escuro. Este número de fechamentos de canal causa uma mudança líquida no potencial de membrana de cerca de 1 mV.

As células fotorreceptoras secretam continuamente o neurotransmissor glutamato no escuro; com a exposição à luz, a liberação de glutamato seria reduzida. Isso leva à ativação da próxima linha de células (células bipolares, células horizontais e células ganglionares da retina).


Relação modelada entre a liberação de glutamato e o potencial da membrana da haste.
De Witkovsky et al. (1997).

A partir desse modelo (Witkovsky et al. 1997), parece que para uma mudança na taxa de liberação de glutamato, uma mudança maior no potencial de membrana é necessária. Além disso, a despolarização dos fotorreceptores deve ser sustentada por um tempo para que as células a jusante possam reagir (a absorção de luz é muito mais rápida do que os processos bioquímicos). O tempo de vida de uma molécula de rodopsina ativada é de ~ 40ms em camundongos (Gross e Burns, 2010) e de ~ 400ms em salamandras (Lyubarsky et al., 1996). Podemos supor que o olho humano é mais semelhante ao dos ratos. Existem aproximadamente 40 milhões de moléculas de rodopsina em uma célula bastonete (BioNumbers). As células ganglionares retinais mais sensíveis precisam de ~ 0,04% de moléculas de rodopsina por célula de bastonete para serem ativadas (Takeshita et al., 2017).

(b) Limiar absoluto de células ganglionares retinais On e Off

Os RGCs On e Off carregam informações valiosas sobre os sinais de luz mais fracos. As células off são um pouco mais sensíveis do que as células On, mas têm uma taxa de erro mais alta em sua codificação baseada em lacunas. O limite absoluto para células de parasol ligado e desligado de primata em uma tarefa de escolha forçada de duas alternativas é extremamente próximo aos limites impostos pela natureza quântica da luz: por haste por flash (média, n = 6) e guarda-sóis desligados a um nível de luz correspondente a aproximadamente 0,0004 R * por haste por flash (média, n = 5).

Uma única molécula de rodopsina ativada seria 0,0000025% do total. Isso seria insuficiente para ativar um RGC.

Portanto, posso fazer uma suposição confiável de que você não pode realmente "ver" um fóton, embora uma das células fotorreceptoras da retina possa senti-lo. No entanto, ainda estou procurando uma referência sólida que diga quantos fótons são necessários (e por quanto tempo) para produzir uma resposta visual.


Um estudo recente publicado na Nature por Tinsley et al. A detecção direta de um único fóton por humanos descobriu que é possível para humanos adaptados ao escuro responderem a um estímulo de um único fóton, mas apenas raramente. Eles usaram uma fonte que criou pares de fótons e usaram um dos pares para determinar se o sujeito pode ter sido exposto a um único fóton. Os participantes foram solicitados a responder se viram um único fóton após um evento e a avaliar sua confiança em sua resposta em uma escala de 1-3. Dos testes de maior confiança, $ 60 \% pm 0,3 \% espaço (P = 0,001) $ das respostas estavam corretas. Não é exatamente confiável, mas uma forte evidência de que é possível.

Eles também descobriram que a eficiência de detecção aumentava muito se outro fóton fosse emitido nos 3,5 segundos anteriores.

No que diz respeito aos mecanismos, não sou biólogo ou bioquímico, então vou sugerir a leitura da seção III de Rieke & Baylor (1998) Detecção de fóton único por células bastonetes da retina, que o aborda em detalhes.


Tecnicamente, podemos sentir os fótons individuais. Aqui está uma citação de um livro de biologia celular:

"A absorção de um único fóton de luz induz uma mudança conformacional na molécula de rodopsina, que transmite um sinal para uma proteína G heterotrimérica (chamada transducina), que ativa um efetor acoplado." (Karp's Cell and Molecular Biology 8e, 603).

No entanto, temos filtros neurais (parte da evolução / adaptação) que apenas "veem" a luz se algo em torno de 5-9 fótons forem detectados em um período de 100 ms. Aqui está uma fonte para isso.

Segundo aquela fonte, esse filtro neural é na verdade uma vantagem evolutiva, pois evitará que dados visuais desnecessários sejam processados ​​(o que acrescentaria muito ruído às "imagens" que vemos).

No entanto, algo interessante é que as rãs podem realmente detectar e ver fótons únicos de luz. Lembro-me de assistir a um vídeo há algum tempo em que era explicado da seguinte forma: Se uma rã é lançada para as bordas externas do nosso sistema solar (onde a densidade de fótons do sol é muito pequena), de vez em quando um único fóton entrará o olho do sapo, e o sapo verá flashes dessa luz, enquanto vê a escuridão quando os fótons não estão entrando. Você pode pesquisar mais sobre esses sapos no Google ou ler um resumo deles em O poder de ver dos sapos: os sapos podem detectar fótons únicos de luz.

Edit: Como WYSIWYG apontou, sapos não são tão especiais afinal! Há mais de um organismo que pode "ver" (não apenas sentir) esses fótons individuais.

Espero que isto ajude!


Se um elétron pode estar em dois lugares ao mesmo tempo, por que você pode?

Sir Roger Penrose - Cavaleiro do Reino, Professor Emérito de Matemática do Rouse Ball na Universidade de Oxford, autor polêmico e extraordinário polímata - está preocupado com a possibilidade de seu carro ser rebocado. Ele está estacionado em um espaço temporário ao lado do Instituto de Matemática de Oxford, onde combinamos para ter o primeiro de nossos encontros. Portanto, antes de se estabelecer para discutir sua solução para um dos maiores mistérios da física, ele sai apressado algumas vezes para se certificar de que o carro ainda está lá, exibindo explosões de velocidade impressionantes para um homem de 73 anos.

Tenho certeza de que ele gostaria de estar em dois lugares ao mesmo tempo: aqui em uma sala de conferências vazia comigo e do lado de fora na chuva fria de outono, de olho nos bobbies. Isso é impossível, é claro, e é aí que reside o mistério que consome Penrose.

Cerca de 80 anos atrás, os cientistas descobriram que é possível estar em dois locais ao mesmo tempo - pelo menos para um átomo ou uma partícula subatômica, como um elétron. Para esses objetos minúsculos, o mundo é governado por um hospício conjunto de leis físicas conhecidas como mecânica quântica. Nessa faixa de tamanho, cada pedaço de matéria e energia existe em um estado de fluxo borrado, permitindo que ocupe não apenas dois locais, mas um número infinito deles simultaneamente. O mundo que vemos segue um conjunto de regras totalmente diferente, é claro: há apenas uma Universidade de Oxford, apenas um carro, apenas um Penrose. O que ninguém pode explicar é por que o universo parece dividido em duas realidades separadas e irreconciliáveis. Se tudo no universo é feito de coisas quânticas, por que não vemos efeitos quânticos na vida cotidiana? Por que Penrose, feito de partículas quânticas, não pode se materializar aqui, ali e em qualquer lugar que escolher?

Muitos físicos acham esse problema tão irritante que o ignoram inteiramente. Em vez disso, eles se concentram no que funciona em suas teorias. As equações da mecânica quântica fazem um trabalho fantástico ao descrever o comportamento das partículas em um destruidor de átomos, as reações nucleares que fazem o sol brilhar e os processos químicos que fundamentam a biologia. Para Penrose, isso não chega nem perto. “A mecânica quântica nos dá previsões maravilhosas e confirmações experimentais para cenários de pequena escala, mas nos dá um absurdo em escalas comuns”, diz ele, relaxado agora que uma recepcionista garantiu a segurança de seu carro. “Se você apenas seguir as equações, terá uma bagunça. Então você tem que perguntar: O que leva a este mundo? ”

Ele tem uma resposta que, se correta, levará à primeira teoria quântica que faz tanto sentido para as pessoas quanto para as partículas. Penrose acredita ter identificado o segredo que mantém o gênio quântico firmemente engarrafado no mundo atômico, um segredo que estava bem diante de nós o tempo todo: a gravidade. Em sua visão inovadora, a mesma força que nos mantém presos ao chão também nos mantém presos a uma realidade na qual tudo é organizado, unitário e - para o melhor e para o pior - enraizado em um único lugar.

Além da frustrante incapacidade de se manifestar em vários lugares simultaneamente, Penrose se qualifica como uma espécie de fenômeno quântico. De fato, parece haver muitas Penroses - todas elas ocupam o mesmo corpo.

Há Sir Roger o físico, nomeado cavaleiro em 1994 por suas contribuições para a ciência, entre elas os esforços pioneiros para reconciliar a teoria geral da relatividade de Albert Einstein com a mecânica quântica. Há Penrose, o mestre dos quebra-cabeças, criador de ilusões geométricas que M. C. Escher incorporou em algumas de suas obras mais famosas. Há Penrose, o neurocientista, que desenvolveu uma teoria controversa ligando a consciência aos processos quânticos no cérebro. E há Penrose, o autor, mais recentemente de um tomo de 1.049 páginas chamado The Road to Reality, que é modestamente intitulado Um Guia Completo para as Leis do Universo. É um currículo impressionante para alguém que foi rebaixado uma série no ensino fundamental porque não conseguia dominar a aritmética.

Em nosso segundo encontro, todos aqueles Penroses estão caídos em um sofá na sala de estar de sua espaçosa casa a alguns quilômetros de Oxford. Uma xícara de café e um prato de biscoitos repousam em seu peito, que, por estar tão afundado no sofá, está quase perfeitamente horizontal. As janelas altas dão para um jardim verdejante, úmido da chuva. Nesse cenário pensativo, ele relembra os eventos que o convenceram de que a teoria quântica tem sérios problemas, uma visão que seria uma heresia para um jovem físico que está entrando na academia hoje.

A fé de Penrose começou a vacilar enquanto ele era estudante de graduação em Cambridge. O momento crucial veio durante uma palestra de Paul Dirac, um dos lendários primeiros pensadores da mecânica quântica. “Ele estava falando sobre o princípio da superposição, segundo o qual os objetos podem estar em dois lugares ao mesmo tempo. Para ilustrar, ele quebrou um pedaço de giz em dois e tentou explicar por que você nunca viu superposições na vida real. Minha mente pode ter vagado brevemente, porque eu nunca ouvi sua explicação! " Penrose diz, rindo. “Mas quando penso sobre isso, não tenho certeza se ele errou, porque não é possível explicar por que você não vê objetos em dois lugares ao mesmo tempo com base na mecânica quântica atual. É um grande problema. É com isso que tenho me preocupado desde então. ”

A parte enlouquecedora desse problema é que a capacidade das partículas de existirem em dois lugares ao mesmo tempo não é uma mera abstração teórica. É um aspecto muito real de como funciona o mundo subatômico e foi confirmado experimentalmente muitas vezes. Uma das demonstrações mais claras vem de uma configuração de física clássica chamada experimento de dupla fenda.


Um movimento profundo está ocorrendo na física e disciplinas relacionadas, um movimento que vem se acelerando. O público não ouviu muito sobre isso, nem a comunidade física em geral. É uma onda de pesquisa focada na descoberta do potencial humano para perceber diretamente os principais aspectos do que pode ser genuinamente referido como o "tecido do universo". O que é surpreendente sobre esta notícia é que a ciência está caminhando para um dia em que o humano a percepção sensorial direta do quantum pode responder a questões persistentes sobre a física.

Isso é certo & mdash percepção sensorial direta humana. Não máquina.

As recentes descobertas envolvem todos os sentidos humanos & ndash suas capacidades básicas, bem como seu potencial para um funcionamento radicalmente aprimorado & ndash e nesta, a primeira parte do que será uma série de várias partes neste blog, vamos nos concentrar principalmente na visão humana .

Descobriu-se que os seres humanos têm a capacidade de perceber diretamente fótons únicos de luz, como foi recentemente estabelecido experimentalmente e publicado na revista, Natureza. Esta descoberta está conectada ao que vários físicos importantes acreditam ser outra, ainda mais surpreendente e iminente & ndash que provavelmente será publicada nos próximos meses & ndash a capacidade humana de perceber diretamente aspectos radicais da natureza quântica da luz, especialmente superposição e quantum emaranhamento / não localidade.

Além disso, de acordo com alguns desses físicos importantes, alguns dos próximos passos mais importantes na progressão da física quântica e cosmologia podem realmente depender do que observadores humanos treinados percebem diretamente em termos das propriedades quânticas de fótons individuais, especialmente em relação à superposição e quantum emaranhamento.

Descrevendo a natureza desta pesquisa em andamento há vários meses em Americano científico, Anil Ananthaswamy escreveu sobre a intenção de uma das várias equipes neste movimento de pesquisa & ldquoto usar a visão humana para sondar os próprios fundamentos da mecânica quântica. & Rdquo De acordo com uma das físicas da equipe, Rebecca Holmes do Laboratório Nacional de Los Alamos, os resultados deste estudo usando os olhos nus de observadores humanos poderia potencialmente produzir & quotevidências de que algo está acontecendo além da mecânica quântica padrão. & quot.

De acordo com Ananthaswamy, o trabalho desta equipe, que também inclui os físicos quânticos Paul Kwiat e o Prêmio Nobel Anthony Leggett, ambos da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, poderia potencialmente & ldquopoint para uma possível resolução da preocupação central da mecânica quântica: o o chamado problema de medição. & rdquo A resolução conclusiva do problema de medição de acordo com muitos especialistas em física tem sido resistente de maneiras significativas às investigações experimentais anteriores, deixando sem resposta a questão de se a observação de fato colapsa a função de onda, que é o quantum a física considera parte integrante da própria base do & ldquofabric do universo. & rdquo

É importante notar que esta nova compreensão da escala inesperada, exatidão e precisão da visão humana, sua capacidade de acessar diretamente a luz no nível de fótons individuais, e muito possivelmente também para determinar a própria natureza quântica da luz, foi desenvolvendo-se em um contexto mais amplo nos campos da biofísica e da psicofísica, bem como na própria física. Esse contexto, que também não se mudou muito para o reino da cultura popular, nem mesmo muito para a própria comunidade científica geral, inclui descobertas radicais e revolucionárias não apenas sobre a visão, mas também sobre os outros sentidos.

Descrevendo a pesquisa recente em seu laboratório e em outros sobre audição humana, o biofísico A.J. Relatórios de Hudspeth da Rockefeller University (citados em Bushell 2018, link a ser publicado), & quotStatistics concern the human ear are surpreending. A cóclea humana saudável é tão sensível que pode detectar vibração com amplitude menor que o diâmetro de um átomo e pode resolver intervalos de tempo até 10 & micros [ou seja, microssegundos ou milionésimos de segundo]. Foi calculado que o ouvido humano detecta níveis de energia 10 vezes mais baixos do que a energia de um único fóton no comprimento de onda verde. & rdquo Com relação ao tato humano e sentidos relacionados (tátil, proprioceptivo), foi recentemente determinado que & ldquohumana discriminação tátil se estende à nanoescala [isto é, dentro de bilionésimos de um metro], & rdquo esta pesquisa foi publicada no jornal Relatórios Científicos (Skedung et al 2013).

A pesquisa sobre o sistema olfativo humano também passou recentemente por um progresso revolucionário, pois agora parece ser parte de um sistema quimio-receptor maior que abrange todo o organismo, contendo células distribuídas por todo o corpo. O sistema parece funcionar por meio do mecanismo de tunelamento quântico de elétrons dentro desses receptores olfativos / quimio (entre outros mecanismos relacionados), e recentemente também foi demonstrado que o sentido olfatório humano é capaz de discriminar mais de um trilhão de estímulos olfativos, conforme relatado no jornal Ciência em 2014, a estimativa anterior era de que o sentido olfativo humano poderia discriminar até 10.000 estímulos diferentes. (Traremos mais sobre isso com muito mais detalhes em uma postagem futura.)

Todas essas evidências sobre a precisão, alcance, escala e magnitude anteriormente insuspeitados do sensório humano estão agora convergindo de uma ampla gama de campos científicos e pesquisadores para um corpo unificado de evidências e uma imagem emergente nova e radical do potencial do potencial de funcionamento perceptivo-sensorial humano. E, além disso, simultaneamente no presente, as descobertas & ndash especialmente concernentes à visão humana da luz & ndash estão sendo deliberadamente dirigidas por um número de cientistas e instituições científicas líderes mundiais, para pesquisar nas próprias fundações do universo.

E, no entanto, podemos também perguntar, com uma curiosidade genuína e profunda, por que essa estrutura fundamental do potencial humano só agora está sendo descoberta nesta era avançada e altamente prolífica da ciência? Por que esse conhecimento fundamental sobre nós mesmos e a natureza & ndash bem na frente, dentro de nossos narizes, por assim dizer & ndash apenas agora emergindo, vindo à luz, também por assim dizer? Por que essa natureza básica de nossa própria capacidade de experimentar o mundo não foi previamente evidente para nós de uma forma ou de outra, e certamente cientificamente?

Existem várias respostas significativas e profundas para essas perguntas, que serão exploradas nesta série. Por ora, apontaremos muito brevemente que, de fato, houve pessoas que compreenderam (a seu modo particular) que os humanos são potencialmente capazes de perceber em escalas tão minúsculas, hiperagudas e até microscópicas. Na verdade, esse conhecimento foi mantido por tais pessoas em pelo menos várias culturas durante séculos, pessoas que praticavam o engajamento dessas capacidades justamente porque sentiam que as capacidades realizadas poderiam levá-los à experiência perceptual sensorial direta de propriedades fundamentais do mundo ao seu redor, do universo. Essas culturas incluem a tibetana, a indiana e a asiática do leste, entre outras.

Mais de uma década atrás, na própria pesquisa de Bushell sobre as habilidades perceptivo-sensoriais de praticantes altamente avançados, de longo prazo e adeptos de formas especiais de meditação observacional, ele começou a perceber que alguns desses praticantes estavam na verdade específica e explicitamente tentando estudar a luz com suas próprias capacidades visuais altamente treinadas, incluindo a tentativa de perceber as partículas de luz mais elementares e fundamentais & ldquopartless & rdquo. Na verdade, eles estavam de muitas maneiras seguindo os mesmos protocolos que os biofísicos contemporâneos e cientistas da visão empregam para testar a capacidade humana de detectar a menor quantidade de luz. O protocolo básico inclui os seguintes fatores-chave: a necessidade de uma câmara completamente escura, virtualmente à prova de luz, que produz na visão humana o que é chamado de condição escotópica adaptada ao escuro, a necessidade de uma imobilidade relativamente completa, pois os movimentos podem distrair e distorcer a percepção a necessidade de longos períodos de atenção altamente direcionada e sustentada; a necessidade de ser capaz de se envolver em várias tentativas de visualização da luz, ou seja, o treinamento e o aprendizado da tarefa; a capacidade de discriminar entre as fontes externas reais de luz e a luz produzida espontaneamente pelo corpo , especialmente pelo próprio sistema visual (fenômenos luminosos produzidos internamente, conhecidos como fosfenos ou biofótons).

E embora a pesquisa em neurociência contemporânea ainda não tenha investigado a capacidade desses profissionais de perceber especificamente a natureza quântica da luz, um grande e crescente corpo de pesquisas experimentais demonstrou que esses profissionais possuem habilidades perceptivo-sensoriais e de atenção superiores em geral, e especificamente em relação outros aspectos da luz (revisão no link Bushell acima). Embora o modelo científico de Bushell e rsquos ainda esteja em desenvolvimento (por exemplo, apresentação no Victoria and Albert Museum, 19 de outubro de 2018, publicação a ser publicada), pode, no entanto, ser de considerável importância para a agenda de pesquisa futura sobre a capacidade humana potencial de perceber o quantum natureza dos fenômenos, especialmente porque um dos maiores desafios a esta agenda é a variação no nível de desempenho dos sujeitos de pesquisa individuais: observadores treinados e qualificados com sucesso são de fato necessários.

O modelo de Bushell & rsquos é baseado em & ldquoadept observadores & rdquo que treinaram extensivamente para aumentar suas capacidades sensório-perceptuais-atencionais para níveis muito altos de desempenho, conforme estabelecido experimentalmente no contexto científico ocidental, e tal treinamento pode ser crítico para o sucesso deste radical e histórico nova agenda da relação sensório-perceptual fundamental dos humanos com o universo.

William C. Bushell, Ph.D.. é um antropólogo biofísico afiliado ao MIT e codiretor do ISHAR (Integrative Studies Historical Archive & amp Repository), uma Iniciativa da Fundação Chopra, o maior banco de dados / centro de informações de acesso livre e aberto para o novo campo das ciências integrativas, incluindo física e neurociência.

Maureen Seaberg é um sinesteta e co-autor de Atingido por um gênio: como uma lesão cerebral me tornou uma maravilha matemática.


Do artigo wiki sobre visão de cores como uma ilustração de como os fótons são absorvidos:

A percepção da cor começa com células retinais especializadas contendo pigmentos com diferentes sensibilidades espectrais, conhecidas como células cone. Em humanos, existem três tipos de cones sensíveis a três espectros diferentes, resultando em visão tricromática de cores.

Cada cone individual contém pigmentos compostos de apoproteína opsina, que está covalentemente ligada a 11-cis-hidrorretinal ou, mais raramente, 11-cis-desidrorretinal.

Portanto, são moléculas com diferentes espectros de absorção que absorvem os fótons ópticos e iniciam a sequência de dar um sinal ao cérebro. Não é uma questão simples e pertence mais à biologia do que à física. A parte física é que o fóton atinge uma molécula e eleva um elétron a um nível mais alto, o que gera uma série de reações que finalmente se registram no cérebro.

Os fótons podem ser criados e destruídos livremente, pois não têm carga ou massa. Acenda uma luz e você criará muitos fótons. Qualquer corpo (feito de átomos) que não esteja em temperatura zero absoluta emitirá fótons espontaneamente.

Eles são consumidos com a mesma facilidade. Quase todas as partículas de massa absorvem um fóton nos elétrons da superfície, transformando a energia em vibração de densidade. Nenhum elétron misterioso (sendo carregado) pode fazer isso. É o processo oposto de emissão por vibração térmica.

Então onde isso vai… Pense na onda eletromagnética, não na quantização dela. As vibrações no campo E fazem os elétrons se moverem para frente e para trás. Partículas carregadas em movimento criam mudanças no campo elétrico, que cancelam a onda e a impedem de se propagar mais longe. Para onde vai uma onda do mar quando atinge a praia? Ele para de se propagar, então o aceno (um fenômeno, não uma instância de um objeto) deixa de ser.

A ideia de partículas faz você imaginar um coisa que existe como um objeto e que é enganoso e prejudica o conceito. A partícula, neste caso, é apenas parte do as regras que afirma que alguma interação física obtém ou fornece energia em uma base de tudo ou nada. Isso é visto em casos onde um elétron muda orbitais, incluindo quando isso faz parte de um processo químico. Os pigmentos em massa que podem absorver qualquer frequência (em uma faixa) livremente ainda absorvem exatamente o valor de uma onda de energia por vez em unidades de amplitude descritas pela constante de Planck.

A vibração - dinâmica que pode ser iniciada e interrompida - é a criação e a destruição subjacentes. A criação ou destruição de unidades de tamanho fixo apenas se manifesta no as regras para fazer isso, e não representa um objeto no sentido que está incomodando você.

De maneira mais geral, você se pergunta como algo pode desaparecer. Bem, porque não? Algum material é conservado e só pode se mover em torno de outras material não tem restrição. Para produzir luz, você precisa fornecer energia e equilibrar o "giro". Esses são atributos individuais, não partículas específicas, e é assim que essas regras geralmente são encontradas. Um elétron pode ser criado se você também criar um pósitron ao mesmo tempo, para equilibrar a carga total: você não está destruindo algo ou movendo coisas de outro lugar, você está criando mais coisas.

O melhor modelo atual para explicar tudo isso é a Teoria Quântica de Campos, onde tudo são campos e distúrbios dinâmicos deles, com partículas sendo emergentes das regras. IOW, assim como as explicações acima com o fóton.

Para onde vai uma música quando você para de cantar? É um processo dinâmico, não um objeto fixo. Ele vai embora quando esse processo para.

A luz de todos os lugares atinge seu globo ocular de forma bastante aleatória. A lente força a luz de um ângulo específico a atingir uma parte específica da retina. Este artigo do HowStuffWorks mostra como a mecânica disso funciona. A única grande diferença entre as lentes da câmera e as lentes do globo ocular é que podemos alterar dinamicamente a forma da lente para focar em distâncias diferentes.

Agora, sua retina é composta de um monte de bastonetes e cones dispostos aproximadamente em uma grade. Eles são um pouco aleatórios, mas você pode pensar neles como o monitor do seu computador: um monte de pixels agrupados. Para uma visão normal e colorida, os cones fazem a maior parte do trabalho, mas os bastonetes também ajudam, especialmente em condições de pouca luz. Sempre que um fóton entra no olho, ele é absorvido. Às vezes, o cone o absorve, transformando a energia eletromagnética em energia eletroquímica. Às vezes, o fóton passa e é absorvido pela parte de trás do olho em algum lugar, transformando a energia eletromagnética em energia térmica (calor).

Existem três tipos de cone, correspondendo aproximadamente a vermelho, verde e azul. Os cones vermelhos absorvem a maior parte da luz vermelha, mas muito pouca luz verde e quase nenhuma luz azul. Os cones verdes absorvem a maior parte da luz verde e os cones azuis absorvem principalmente a luz azul. Se alguns fótons atingirem o cone ao longo de algum período, ele enviará um sinal ao cérebro dizendo "luz fraca aqui". Se muitos fótons atingirem no mesmo período de tempo, ele enviará um sinal de "luz brilhante aqui".

A mesma coisa acontece com todos os outros cones. Entre a lente que focaliza a luz para que um cone receba luz de uma pequena parte do mundo à sua frente e os vários milhões de cones em seu olho, você basicamente tem uma planilha Excel gigante, codificada em um formato eletroquímico. Ao combinar as informações de vários cones de cores diferentes, a planilha contém informações sobre brilho e cor em diferentes ângulos à sua frente. O processo do oponente é como os dados são enviados ao cérebro.

A partir deste ponto, o cérebro faz um monte de magia negra que mal entendemos usando um monte de código aparentemente aleatório elaborado por milhões de anos de seleção natural. Ele encontra padrões no conjunto de dados e os compara com padrões conhecidos na memória de curto e longo prazo para estabelecer o que você está olhando, onde está, o que está fazendo, quem é, etc. Também adiciona dados visuais ao nosso centros de consciência espacial, determina taxas de movimento, informações de tempo e provavelmente uma série de outras coisas que eu não conheço. Em seguida, ele envia essas informações para o resto do cérebro para tomar decisões. Algumas dessas decisões são tomadas de forma autônoma por processamento de baixo nível, enquanto outras são feitas em alto nível com centros cognitivos.


No escuro

No experimento Vaziri & rsquos, três voluntários sentaram-se na escuridão total por cerca de 40 minutos e, em seguida, olharam para um sistema óptico. Quando apertaram um botão, ouviram dois sons, separados por um segundo. Às vezes, um dos sons era acompanhado pela emissão de um fóton. Os participantes tiveram que dizer em que ocasião pensaram ter visto um fóton e quão confiantes estavam (em uma escala de 1 a 3) sobre o avistamento.

Em muitos casos, eles erraram o que era de se esperar, visto que mais de 90% dos fótons que entram na frente do olho nunca chegam a um bastonete, porque são absorvidos ou refletidos por outras partes do olho. Ainda assim, os participantes foram capazes de responder corretamente com mais frequência do que seria esperado se tivessem adivinhado aleatoriamente e seu nível de confiança era maior quando eles estavam certos.

Os três voluntários participaram de um total de mais de 2.400 testes nos quais um único fóton foi emitido (e muitos mais nos quais não foi). Esse alto volume de testes, dizem os pesquisadores, dá a eles fortes evidências estatísticas da detecção de um único fóton.

Mas nem todos os pesquisadores acham que o artigo é conclusivo. & ldquoA única coisa sobre a qual sou cético é que apenas três indivíduos foram testados & rdquo, diz Leonid Krivitskiy, físico da Agência de Tecnologia e Pesquisa Científica em Cingapura. Todos eram homens, acrescenta ele, e as fisiologias visuais de mulheres e homens são sutilmente diferentes, ressalta. Mas Krivitskiy está convencido de que o método dos autores é capaz de resolver a questão de uma vez por todas, se o experimento for testado em mais voluntários.

Vaziri planeja testar como o sistema visual responde aos fótons em vários estados quânticos & mdashin particular aqueles que estão em uma & lsquosuperposição & rsquo de dois estados simultâneos. Alguns físicos sugeriram que tais experimentos poderiam testar se uma superposição de dois estados poderia sobreviver no sistema sensorial de uma pessoa e talvez ser percebida no cérebro.

Este artigo foi reproduzido com permissão e foi publicado pela primeira vez em 19 de julho de 2016.

SOBRE OS AUTORES)

Davide Castelvecchi é um repórter sênior em Natureza em Londres, cobrindo física, astronomia, matemática e ciência da computação.


Emergência: Atmosfera Solar

Saindo da superfície do Sol, nosso fóton então entra na atmosfera do Sol, que (como a Terra) tem várias camadas. Nosso fóton passa primeiro pela fina fotosfera, antes de entrar na cromosfera mais espessa. Algo interessante acontece neste ponto: as temperaturas começam a aumentar à medida que o fóton passa pela corona (a camada mais externa da atmosfera do Sol). The corona—a white-hot plume of plasma that extends millions of kilometers away from the Sun—is hundreds of times hotter than the surface.

Although the corona is very sparsely populated with atoms, photons can still be scattered by dust or free electrons. However, they usually pass through mostly unimpeded, and head toward the direction of Earth. Many trillions of other photons join it, with trillions more travelling in other directions. Their combined energy can exert a force on any object large enough to get in the way.


Physicists Say They've Manipulated 'Pure Nothingness' And Observed The Fallout

According to quantum mechanics, a vacuum isn't empty at all. It's actually filled with quantum energy and particles that blink in and out of existence for a fleeting moment - strange signals that are known as quantum fluctuations.

For decades, there had only ever been indirect evidence of these fluctuations, but back in 2015, researchers claimed to have detected the theoretical fluctuations directly. And now the same team says they've gone a step further, having manipulated the vacuum itself, and detecting the changes in these strange signals in the void.

We're entering the territory of high-level physics here, but what's really important in this experiment is that, if these results are confirmed, the researchers might have just unlocked a way to observe, probe, and test the quantum realm without interfering with it.

That's important, because one of the biggest problems with quantum mechanics - and our understanding of it - is that every time we measure and observe a quantum system, we destroy it, which doesn't bode well when we want to tease out what's really going on in the quantum world.

This is where the quantum vacuum comes into it.

First of all, let's think of a vacuum in a classical way - as space entirely devoid of matter, with the lowest possible energy. There are no particles there, and nothing to interfere with pure physics.

But a byproduct of one of the most fundamental principles in quantum mechanics, Heisenberg's uncertainty principle, states that there's a limit to how much we can know about quantum particles, and as a result, a vacuum isn't empty, it's actually buzzing with its own strange energy, and filled with particle-antiparticle pairs that appear and disappear randomly.

These are more like 'virtual' particles than physical matter, so ordinarily you can't detect them. But although they're invisible, like most things in the quantum world, they subtly influence the real world.

These quantum fluctuations produce randomly fluctuating electric fields that can affect electrons, which is how scientists first indirectly demonstrated their presence back in the 1940s.

For decades, that was all we had to go on.

Then, in 2015, a team led by Alfred Leitenstorfer from the University of Konstanz in Germany claimed they'd directly detected these fluctuations, by observing their influence on a light wave. Os resultados foram publicados em Ciência.

To do this, they fired a super short laser pulse - lasting only a few femtoseconds, which is a millionth of a billionth of a second - into a vacuum, and were able to see subtle changes in the polarisation of the light. They said these changes were caused directly by the quantum fluctuations.

It's a claim that's still being debated, but the researchers have now taken their experiment to the next level by 'squeezing' the vacuum, and say they've been able to observe the strange changes in the quantum fluctuations as a result.

This isn't just further evidence of the existence of these quantum fluctuations - it also suggests that they've come up with a way to observe experiments in the quantum world without messing up the results, which is something that would ordinarily destroy the quantum state.

"We can analyse quantum states without changing them in the first approximation," said Leitenstorfer.

Usually when you're looking for the effects of quantum fluctuations on a single light particle, you'd have to detect that light particle, or amplify it, in order to see the effect. And this would remove the 'quantum signature' left on that photon, which is similar to what the team did in the 2015 experiment.

This time, instead of looking at the changes in quantum fluctuations by absorbing and amplifying photons of light, the team studied light on the time domain.

That sounds weird, but in a vacuum, space and time behave in the same way, so it's possible to examine one to learn more about the other.

Doing this, the team saw that when they 'squeezed' the vacuum, it worked kind of like squeezing a balloon, and redistributed the strange quantum fluctuations within it.

At some points, the fluctuations became way louder than the background 'noise' of an unsqueezed vacuum, and in some parts, they were quieter.

Leitenstorfer compares this to a traffic jam - when there's a bottleneck that cars build up behind, in front of that point, the density of cars will decrease again.

The same thing happens in a vacuum, to a certain extent - as the vacuum gets squeezed in one place, the distribution of the quantum fluctuations changes, and they can speed up or slow down as a result.

That effect can be measured on the time domain, which you can see below charted out on space-time. The bump in the middle is the 'squeeze' in the vacuum:

As you can see, as a result of the squeeze, there are some blips in the fluctuations.

But something else weird happens too, the fluctuations in some places appear to drop below the background noise level, which is lower than the ground state of empty space, something the scientists call an "astonishing phenomenon".

"As the new measurement technique neither has to absorb the photons to be measured nor amplify them, it is possible to directly detect the electromagnetic background noise of the vacuum and thus also the controlled deviations from this ground state, created by the researchers," explains a press release.

The team is now testing just how accurate their technique is, and how much they can learn from it.

Even though the results so far are impressive, there's still a chance the team might have only achieved a so-called weak measurement - a type of measurement that doesn't disturb the quantum state, but doesn't actually tell researchers very much about a quantum system.

If they can learn more using this technique, they want to continue to use it to probe the 'quantum state of light', which is the invisible behaviour of light at the quantum level that we're only just beginning to understand.

Further verification is needed to replicate the team's findings and show that their experiment really works. But it's a pretty cool first step.


How Atoms Work

Atoms are so small that we cannot see them with our eyes (i.e., microscopic). To give you a feel for some sizes, these are approximate diameters of various atoms and particles:

  • atom = 1 x 10 -10 meters
  • nucleus = 1 x 10 -15 to 1 x 10 -14 meters
  • neutron or proton = 1 x 10 -15 meters
  • electron - not known exactly, but thought to be on the order of 1 x 10 -18 meters

You cannot see an atom with a light microscope. However, in 1981, a type of microscope called a scanning tunneling microscope (STM) foi desenvolvido. The STM consists of the following:

  • A very small, sharp tip that conducts electricity (probe)
  • A rapid piezoelectric scanning device to which the tip is mounted
  • Electronic components to supply current to the tip, control the scanner and accept the signals from the motion sensor
  • Computer to control the system and do data analysis (data collection, processing, display)
  • A current is supplied to the tip (probe) while the scanner rapidly moves the tip across the surface of a conducting sample.
  • When the tip encounters an atom, the flow of electrons between the atom and the tip changes.
  • The computer registers the change in current with the x,y-position of the atom.
  • The scanner continues to position the tip over each x,y-point on the sample surface, registering a current for each point.
  • The computer collects the data and plots a map of current over the surface that corresponds to a map of the atomic positions.

The process is much like an old phonograph where the needle is the tip and the grooves in the vinyl record are the atoms. The STM tip moves over the atomic contour of the surface, using tunneling current as a sensitive detector of atomic position.

The STM and new variations of this microscope allow us to see atoms. In addition, the STM can be used to manipulate atoms as shown here:

Atoms can be moved and molded to make various devices such as molecular motors (see How Nanotechnology Will Work for details).

In summary, science in the 20th century has revealed the structure of the atom. Scientists are now conducting experiments to reveal details of the structure of the nucleus and the forces that hold it together.


Introdução

The need to make accurate decisions in uncertain, dynamically changing environments appears in all aspects of life. Which stock should I buy? Which option should I take in the next move in a board or electronic game? These seemingly casual scenes are highly related to a Monte Carlo tree search 1,2 , which is a heuristic search algorithm for decision making. Consider, e.g., an information network infrastructure. Ever-increasing demands in mobile communications outstrip the available radio frequencies consequently, dynamic and adequate frequency assignment is critical. This scenario constitutes a decision-making problem in an uncertain environment 3,4 . As another example, consider maximizing the revenue for an e-commerce website on the Internet this requires presenting adequate content and advertisement in a limited screen space of typical displays and is also a corollary of decision-making problems 5 .

Several computing algorithms such as ε-greedy 6 , softmax 6,7 , upper confidence bounds 8 and tug-of-war (TOW) 4,9,10 have been proposed in the literature to solve these decision-making problems. All these algorithms have been designed essentially using probabilistic mechanisms to resolve the “exploration–exploitation dilemma” tradeoff in decision making. The present study aims to physically implement decision making using the intrinsic quantum attributes of single photons.

Actually, the softmax rule, which is based on the notion of the Boltzmann factor, has previously been discussed as the best-fitting algorithm for human decision making 7 here, we may see a correspondence between the physical mechanisms of the brain and decision making. Indeed, investigating the relation between physics and decision making with an aim to better understand the origin of intellectual abilities of natural organisms would be highly stimulating. The TOW algorithm 9 was inspired by the spatiotemporal dynamics of the slime mold Physarum 11 More specifically, the idea is originally based on observing living organisms in nature and their interactions with various environments. This fact implies that it is possible to engineer artificially constructed decision-making machines, which would contribute significantly to resolving decision-making problems in practical information and communications technology (ICT). In fact, Kim et al. proposed a theory of a TOW-based decision maker that uses nanoscale optical excitation transfer among quantum dots mediated by near-field interactions 12 . They followed this study by an experimental verification based on colloidal quantum dots of different sizes 13 this paved the way to the implementation of a solid-state, ultrasmall decision maker. Moreover, the TOW-based physical method outperforms other algorithms 12 .

However, many important unresolved problems remain before we can claim completely autonomous, physical decision-making machines. One of the most critical concerns is that the probabilistic mechanism, which is an indispensable attribute in solving decision-making problems, is yet to be realized experimentally. For instance, in the experimental demonstration reported in Naruse et al. 13 , the probabilistic decision-making step was implemented by an electrical host controller and the probability was determined by observing optical energy transfer in ensembles of quantum dots.

In this study, we report decision making based on single photons. One of the most significant attributes of single photons is literally its particle and yet probabilistic nature. For example, consider a single photon that impinges on a beam splitter. The probability of observing the single photon in one of the two output channels is 50%. However, in detecting individual events, when a single photon is detected in one channel, the other channel does não detect it. We see here a TOW-type mechanism in the sense that an input photon is pulled by one channel and by the other, which will be discussed in detail in this study. Observing a single photon can be diretamente associated with decision making. In other words, without requiring emulation by electrical computing, the decisive step is directly implemented by the intrinsic attributes of a single photon and is fundamentally unachievable using classical light.

In addition, whereas the use of single photons in ICT has thus far been limited to the context of quantum key distributions 14 and quantum computing 15 , including quantum simulations 16 , this study paves the way to realizing the benefits offered by the quantum nature of light in practical and important decision-making applications in ICT. Meanwhile, theoretical quantum-mechanical approaches to machine learning are emerging 17,18 and we hope to contribute to the field by presenting an architecture to implement single-photon-based decision making and its experimental demonstration. In the sections below, we describe the architecture, principles, experimental systems, demonstrations and analysis of the proposed single-photon decision maker.


Quantum processor for single photons

Scientists have realized a photon-photon logic gate via a deterministic interaction with a strongly coupled atom-resonator system.

"Nothing is impossible!" In line with this motto, physicists from the Quantum Dynamics Division of Professor Gerhard Rempe (director at the Max Planck Institute of Quantum Optics) managed to realise a quantum logic gate in which two light quanta are the main actors. The difficulty of such an endeavour is that photons usually do not interact at all but pass each other undisturbed. This makes them ideal for the transmission of quantum information, but less suited for its processing. The scientists overcame this steep hurdle by bringing an ancillary third particle into play: a single atom trapped inside an optical resonator that takes on the role of a mediator. "The distinct feature of our gate implementation is that the interaction between the photons is deterministic," explains Dr. Stephan Ritter. "This is essential for future, more complex applications like scalable quantum computers or global quantum networks."

In all modern computers, data processing is based on information being binary-coded and then processed using logical operations. This is done using so-called logic gates which assign predefined output values to each input via deterministic protocols. Likewise, for the information processing in quantum computers, quantum logic gates are the key elements. To realise a universal quantum computer, it is necessary that every input quantum bit can cause a maximal change of the other quantum bits. The practical difficulty lies in the special nature of quantum information: in contrast to classical bits, it cannot be copied. Therefore, classical methods for error correction cannot be applied, and the gate must function for every single photon that carries information.

Because of the special importance of photons as information carriers -- for example, for communicating quantum information in extended quantum networks -- the realisation of a deterministic photon-photon gate has been a long-standing goal. One of several possibilities to encode photonic quantum bits is the use of polarisation states of single photons. Then the states "0" and "1" of a classical bit correspond to two orthogonal polarisation states. In the two-photon gate, the polarisation of each photon can influence the polarisation of the other photon. As in the classical logic gate it is specified beforehand which input polarisation leads to which output polarisation. For example, a linear polarisation of the second photon is rotated by 90° if the first one is in the logic state "1," and remains unchanged if the first one is in "0." In contrast to classical logic gates, which would be fully specified by such a description, a quantum gate can take on an infinite number of possible input states. The quantum logic gate has to create the correct combination of output states for each one of these.

In the experiment presented here two independently polarised photons impinge, in quick succession, onto a resonator which is made of two high-reflectivity mirrors. Inside a single rubidium atom is trapped forming a strongly coupled system with the resonator. The resonator amplifies the light field of the impinging photon at the position of the atom enabling a direct atom-photon interaction. As a result, the atomic state gets manipulated by the photon just as it is being reflected from the mirror. This change is sensed by the second photon when it arrives at the mirror shortly thereafter.

After their reflection, both photons are stored in a 1.2-kilometre-long optical fibre for some microseconds. Meanwhile, the atomic state is measured. A rotation of the first photon's polarisation conditioned on the outcome of the measurement enables the back action of the second photon on the first one. "The two photons are never at the same place at the same time and thus they do not see each other directly. Nevertheless, we achieve a maximal interaction between them," explains Bastian Hacker, PhD student at the experiment.

The scientists could prove experimentally that -- depending on the choice of the photons' polarisations -- either the first photon affects the second or vice versa. To this end, they measured the polarisation states of the two outgoing photons for different input states. From these, they generated "truth tables" which correspond to the expected gate operations and thus demonstrate the diverse operational modes of the photon-photon gate.

The case when the input polarisation of the two photons is chosen such that they influence each other is of particular interest: Here the two outgoing photons form an entangled pair. "The possibility to generate entanglement fundamentally distinguishes a quantum gate from its classical counterpart. One of the applications of entangled photons is in the teleportation of quantum states," explains Stephan Welte, PhD student at the experiment.

The scientists envision that the new photon-photon gate could pave the way towards all-optical quantum information processing. "The distribution of photons via an optical quantum network would allow linking any number of network nodes and thus enable the setup of a scalable optical quantum computer in which the photon-photon gate plays the role of a central processing unit (CPU)," explains Professor Gerhard Rempe.