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看見「看不見的」紅外線?

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The eye can detect light at wavelengths in the visual spectrum. Other wavelengths, such as infrared and ultraviolet, are supposed to be invisible to the human eye, but Washington University scientists have found that under certain conditions, it’s possible for us to see otherwise invisible infrared light. Credit: Sara Dickherber 來源:來源: Physorg

閱讀任何一本教科書,都可以得到相同的概念:「紅外線對於人類來說是不可見光」,舉例來說x光、微波這些光,都在人們可見光的波長範圍之外。然而,這個想法卻被由美國華盛頓大學聖約翰醫學院所領導的國際性(包含來自挪威、瑞士、波蘭等地的學者)研究團隊打破,他們發現,在某些特定的條件之下,視網膜可以偵測到紅外線,目前他們的初稿甫發表在2014年的12月1日Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 上。

該團隊利用強烈的出紅外線雷射脈衝,照射人類和小鼠的視網膜。研究者發現,當雷射光脈衝的頻率越頻繁,視網膜當中的感光細胞有時候可以收到紅外光能量雙倍的衝擊。這意味著,當這種情況發生的時候,眼睛就可以偵測到在原本的可見光譜外的紅外線。

華盛頓大學專門研究眼科以及視覺科學的資深教授Vladimir J. Kefalov表示,他們所做的實驗不僅試著提供醫生檢查病患眼睛的新工具,也可以用來測試視網膜特定部位的功能是否完整,他們希望這個新發現可以有實際的應用。

這個研究的契機源於研究團隊先前發現到,使用紅外光雷射時會伴隨偶爾的綠光閃鑠(這可不是一般用於演講的紅外線光點筆或是玩具,它是可以發出強列能量波的!即使人類看不見)。這現象燃起了該團隊的好奇心,所以他們開始找尋人類看見紅外線的相關論文。他們重做了實驗,分析這些不同的雷射光並測試為何可見的原因。

「我們測試的時候,使用不同時間間隔但是擁有相同數量光子的雷射脈衝。發現雷射光的脈衝如果越短,人們越有可能看見」,計畫共同主持人Frans Vinberg解釋,即使因為實驗中測定的時間長度過於短暫,以至於裸眼的時候無法偵測的到,但這些脈衝仍然非常重要,因為它們能夠讓人們看見這些「看不見」的光。

一般而言,光子會被視網膜吸收,接著視網膜上的感光細胞會產生光色素(photopigment)來吸收可見光,提供清楚的影像並將資訊轉換為神經脈衝,刺激視神經傳遞至腦部成為視覺資訊。正常而言,每個光子可以被非常多個光色素所吸收。

然而,如果把很多的光子擠壓在一個頻率很高的脈衝雷射光中的短脈衝時,就可以產生一個神奇的現象:一個感光色素可以同時吸收兩個光子的能量。也是因為這樣,這兩個粒子疊加的能量就可以激活神經位元,讓人們的眼睛可以看見這些原本在一般條件下無法看見的「不可見」光。

Vladimir Kefalov adapter

Kefalov’s team developed this adapter that allowed scientists to analyze retinal cells and photopigment molecules as they were exposed to infrared light. The device already is commercially available and in use at several vision research centers around the world.Credit: ROBERT BOSTON 來源: Washington University

「人們可以看見的光波波長大約介於400至720奈米間」Kefalov解釋,「但是,如果一個視網膜的色素細胞被一對波長1000奈米的光子連續而且快速的撞擊,它所傳送的能量會與一個波長500奈米的光子相當,而這等同可以介在可見光譜中的能量,這就是為什麼我們可以看見「不可見」光的原因」。

雖然這是首次有相關研究指出,人們的眼睛可以透過這樣的物理機制感知光線,但是這個「利用比較弱的雷射光來讓事物可見的」想法並不新鮮。舉例來說,使用雙光子顯微鏡(two-photon microscope)來偵測更細微的人體組織,還有更進一步運用在檢眼鏡(ophthalmoscope)的應用……等等。

這個想法的主要目的,是希望可以藉由照射短脈衝的、紅外光激光器( infrared laser)對眼球的刺激,讓醫生們可以刺激部分的視網膜並且從中理解更多視網膜的功能與結構,最終可以幫助那些眼睛有疾病(如:黃斑部病變)的人們。

參考資料:

關於作者

汎如

PanSci 實習編輯,台大公衛系,對世界充滿好奇,最喜歡的句子是王爾德在《溫夫人的扇子》中寫的一句台詞:"We are all in the gutter, but some of us are looking at stars. "。沒錯,我們都身陷在日常生活的爛泥溝渠之中,但還是可以抬頭,仰望燦爛星空。:)