Vâng. Trên thực tế, phôtôn là thứ duy nhất con người có thể nhìn thấy trực tiếp. Phôtôn là một phần nhỏ của ánh sáng. Mắt người được thiết kế đặc biệt để phát hiện ánh sáng. Điều này xảy ra khi một phôtôn đi vào mắt và được hấp thụ bởi một trong những tế bào hình que hoặc nón chiếm đầy võng mạc ở bề mặt sau trong của mắt. Khi bạn nhìn vào một chiếc ghế, bạn thực sự không nhìn thấy chiếc ghế. Bạn đang nhìn thấy một nhóm phôtôn đã phản xạ từ chiếc ghế. Trong quá trình phản xạ từ chiếc ghế và đi qua các thấu kính của mắt, những phôtôn này đã được sắp xếp thành một hình dạng trên võng mạc của bạn giống hình dạng của chiếc ghế. Khi những phôtôn này va chạm vào võng mạc của bạn, các tế bào nón và que của bạn phát hiện những phôtôn này và gửi thông tin của chúng đến não bạn. Bằng cách này, não bạn nghĩ rằng nó đang nhìn vào một chiếc ghế khi thực ra nó đang nhìn vào một nhóm phôtôn va chạm vào võng mạc của bạn, được sắp xếp theo hình dạng của chiếc ghế. Hơn nữa, các phôtôn không chỉ mang thông tin về hình dạng. Các phôtôn va chạm vào võng mạc của bạn cũng được sắp xếp theo mẫu màu sắc và mẫu độ sáng của chiếc ghế.
Đây không phải là một chiếc ghế! Bạn đang nhìn thấy một tập hợp các phôtôn va chạm vào võng mạc của bạn được tạo ra bởi một màn hình máy tính phẳng. Tập hợp các phôtôn này trông giống như một chiếc ghế bởi vì nó có cùng mẫu màu sắc, độ sáng và hình dạng như tập hợp các phôtôn ban đầu đến từ chiếc ghế thật. Tuy nhiên, về cơ bản, đây không phải là một chiếc ghế.
Mắt bạn có thể nhìn thấy các nhóm phôtôn, nhưng liệu chúng có thể nhìn thấy một phôtôn đơn lẻ, cô lập trong bóng tối hoàn toàn không? Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học cho rằng câu trả lời cho câu hỏi này là không. Mắt thực sự không được thiết kế để làm điều này. Mạch thần kinh truyền tín hiệu thị giác đơn lẻ đến não mong đợi có nhiều phôtôn được phát hiện trong một khoảng thời gian ngắn để nó có thể đếm. Thực tế này là điều tốt bởi vì nếu mắt bạn được nối dây để trải nghiệm thị giác từng phôtôn đơn lẻ một cách hiệu quả, các hình ảnh thị giác hàng ngày bạn trải nghiệm sẽ chứa nhiều nhiễu (giống như độ hạt của một bức ảnh chất lượng thấp). Tuy nhiên, nghiên cứu gần đây đã phát hiện ra rằng con người thực sự có thể nhìn thấy một phôtôn đơn lẻ trong bóng tối hoàn toàn nếu mắt được thích nghi hoàn toàn với bóng tối và điều kiện phù hợp. Tuy nhiên, ngay cả khi mọi thứ được thiết lập đúng cách, con người vẫn chỉ đôi khi có thể nhìn thấy một phôtôn đơn lẻ cô lập; chỉ khi phôtôn va chạm vào một tế bào que đúng cách và truyền năng lượng của nó một cách hiệu quả. Con người nhìn thấy một phôtôn đơn lẻ cô lập là một thí nghiệm phòng thí nghiệm thú vị nhưng không có ý nghĩa đặc biệt và không xảy ra trong cuộc sống hàng ngày. Lưu ý rằng, ngay cả khi con người có thể nhìn thấy một phôtôn đơn lẻ cô lập, cảm giác thị giác cũng không có gì đặc biệt khác. Con người chỉ nhìn thấy một điểm trắng rất mờ, rất ngắn ngủi và rất nhỏ.
Một phôtôn có một số đặc tính, và mỗi đặc tính này mang thông tin về nguồn tạo ra phôtôn hoặc vật cuối cùng tương tác với phôtôn. Các đặc tính cơ bản của phôtôn mang thông tin là màu sắc (tức là tần số), spin (tức là phân cực), vị trí, hướng truyền, và pha sóng. Cũng có nhiều đặc tính khác của phôtôn; như năng lượng, bước sóng, động lượng và số sóng; nhưng tất cả đều phụ thuộc vào tần số và do đó không mang thêm thông tin nào. Ngoài ra, khi có nhiều phôtôn, thông tin có thể được mang bởi số lượng phôtôn hiện diện (tức là độ sáng). Khi một nhóm phôtôn phản xạ từ một chiếc ghế, các phôtôn tạo thành các mẫu màu sắc, spin, vị trí, hướng, pha sóng và độ sáng chứa thông tin về chiếc ghế. Với các công cụ phù hợp, mỗi mẫu này có thể được phân tích để thu thập thông tin về chiếc ghế. Mắt người được thiết kế để phát hiện các mẫu màu sắc, vị trí, hướng và độ sáng của một nhóm phôtôn, nhưng không phải spin hoặc pha sóng.
Thông tin về màu sắc được phát hiện trong mắt bằng cách có ba loại tế bào nón khác nhau, mỗi loại có một dải nhạy cảm màu sắc khác nhau. Một loại có dải nhạy cảm phản ứng tốt hơn với ánh sáng đỏ so với các loại khác, một loại khác phản ứng tốt hơn với ánh sáng xanh lá cây so với các loại khác, và loại cuối cùng phản ứng tốt hơn với ánh sáng xanh lam so với các loại khác. Mắt có thể nhìn thấy hầu hết các màu sắc trong phổ khả kiến bằng cách so sánh mức độ kích hoạt tương đối của ba loại tế bào nón khác nhau này. Ví dụ, khi bạn nhìn vào một bông hoa huệ vàng, các phôtôn vàng chiếu vào mắt bạn và va chạm vào các tế bào nón đỏ, xanh lá cây và xanh lam của bạn. Chỉ có các tế bào nón đỏ và xanh lá cây được kích hoạt đáng kể bởi các phôtôn vàng, và não bạn diễn giải đỏ cộng với xanh lá cây là vàng. Trái ngược với các tế bào nón, chỉ có một loại tế bào que, và do đó các tế bào que chỉ có thể phát hiện độ sáng mà không phải màu sắc. Các tế bào que chỉ được sử dụng trong điều kiện ánh sáng yếu. Trong những điều kiện như vậy, do đó, bạn nhìn thấy các mẫu độ sáng (tức là hình ảnh xám) thay vì các mẫu màu sắc và độ sáng.
Thông tin về vị trí được phát hiện trong mắt bằng cách có các tế bào nón và que phân bố trên các vị trí khác nhau dọc theo võng mạc. Các phôtôn khác nhau tồn tại ở các vị trí khác nhau sẽ kích hoạt các tế bào khác nhau. Bằng cách này, mẫu không gian của vị trí phôtôn, và do đó hình dạng của vật thể, được phát hiện trực tiếp bởi võng mạc. Lưu ý rằng các phôtôn có thể đến từ nhiều hướng khác nhau và chồng chéo lên nhau. Vì lý do này, mắt có các thấu kính ở phía trước chỉ tập trung ánh sáng vào một tế bào nhất định trên võng mạc đến từ một điểm duy nhất trên vật thể đang được quan sát. Khi điều này được thực hiện thành công, trong quang học, chúng ta nói rằng một hình ảnh đã được hình thành. Bằng cách này, các thấu kính đóng vai trò thiết yếu trong việc trích xuất thông tin vị trí về vật thể đang được quan sát từ thông tin vị trí của các phôtôn va chạm vào võng mạc.
Nếu các thấu kính bị lỗi, một vị trí duy nhất trên võng mạc sẽ không tương ứng chính xác với một điểm duy nhất trên vật thể đang được quan sát và bạn sẽ nhìn thấy một bức ảnh mờ. Tuy nhiên, điều này thường có thể được khắc phục bằng cách sử dụng kính mắt hoặc kính áp tròng. Lưu ý rằng, hệ thống quang học của con người chỉ có thể hình ảnh trực tiếp hai chiều của thông tin vị trí phôtôn. Nói cách khác, võng mạc chỉ ghi lại hình ảnh hai chiều của thế giới ba chiều. Não người lấy thông tin về chiều thứ ba một cách gián tiếp bằng cách sử dụng nhiều kỹ thuật thông minh được gọi là “gợi ý nhận thức độ sâu”. Não làm điều này rất tốt đến mức thế giới bên ngoài được trải nghiệm thị giác một cách thuyết phục là ba chiều mặc dù thực tế chúng ta chỉ phát hiện các hình ảnh hai chiều trên võng mạc.
Thông tin về độ sáng được trích xuất trực tiếp bởi võng mạc bằng cách đo số lượng phôtôn va chạm vào một vùng nhất định của võng mạc trong một khoảng thời gian nhất định. Cả tế bào que và tế bào nón đều có thể thu thập thông tin về độ sáng. Não cũng so sánh độ sáng tương đối được phát hiện của các vùng lân cận khác nhau trong hình ảnh để quyết định cách trải nghiệm thị giác độ sáng.
Thông tin về hướng chỉ được phát hiện một cách thô sơ bởi con người bằng cách não theo dõi mắt đang nhìn theo hướng nào. Nếu bạn nhìn thẳng xuống sàn, não bạn có thể suy ra rằng các phôtôn va chạm vào võng mạc của bạn đang di chuyển theo hướng lên trên, lên khỏi sàn. Do đó, một vệt sơn được nhìn thấy trong tình huống như vậy phải ở trên sàn hoặc gần sàn. Tương tự, nếu bạn đứng trên bãi biển và nhìn thẳng về phía núi xa bên trong đất liền, não bạn biết rằng các phôtôn va chạm vào võng mạc của bạn đang đến từ hướng của núi. Do đó, bạn sẽ không thể nhìn thấy các tàu thuyền ngoài biển trừ khi bạn quay lại và thay đổi tầm nhìn để có thể nhận các phôtôn đến từ hướng của biển. Bởi vì não chỉ suy ra thông tin hướng từ hướng mà mắt đang nhìn, nó có thể bị nhầm lẫn bởi gương và ảo ảnh làm chuyển hướng các phôtôn theo cách phức tạp. Tuy nhiên, với kinh nghiệm, não có thể học một cách trí tuệ những gì mà gương và ảo ảnh đang làm và do đó không bị nhầm lẫn.
Vì mắt người cuối cùng chỉ nhìn thấy các phôtôn, một máy tạo phôtôn có thể làm cho một vật thể vật lý trông giống như có mặt, mà không có vật thể thực sự có mặt, bằng cách tạo ra các mẫu phôtôn chính xác. Ví dụ, một màn hình máy tính có thể làm cho một chiếc ghế trông giống như có mặt, mà không có chiếc ghế vật lý thực sự, bằng cách tạo ra đúng các phôtôn với các mẫu màu sắc, độ sáng và hình dạng chính xác. Cách dễ nhất để biết các mẫu phôtôn chính xác cho một chiếc ghế hoặc vật thể khác là sử dụng máy ảnh. Một máy ảnh ghi lại các mẫu màu sắc, độ sáng và hình dạng của các phôtôn đến từ chiếc ghế và sau đó lưu trữ thông tin này dưới dạng bit điện. Một màn hình máy tính sau đó sử dụng thông tin này để tạo ra lại phần lớn cùng một tập hợp các phôtôn và bạn nhìn thấy một bức ảnh của chiếc ghế. Thay vì sử dụng máy ảnh, các chương trình máy tính tinh vi có thể giải các định luật vật lý và tính toán các mẫu phôtôn đến từ mô tả hình học của chiếc ghế trong máy tính, do đó tạo ra một cảm giác thị giác thuyết phục về sự hiện diện của một chiếc ghế trên màn hình máy tính. Quá trình này được gọi là hoạt hình máy tính, kết xuất 3D, theo dõi tia hoặc kết xuất CAD.
Tuy nhiên, các màn hình máy tính tiêu chuẩn chỉ có thể chỉ định màu sắc, độ sáng và vị trí hai chiều của các phôtôn mà chúng tạo ra. Do đó, hình ảnh của một vật thể vật lý trên màn hình máy tính là hai chiều và không hoàn toàn chân thực. Tuy nhiên, não vẫn có thể sử dụng nhiều, nhưng không phải tất cả, các gợi ý nhận thức độ sâu để trải nghiệm thị giác một vật thể ba chiều trên một màn hình máy tính phẳng, hai chiều. Có nhiều thủ thuật có thể được sử dụng để kích hoạt thêm nhiều gợi ý nhận thức độ sâu hơn nữa và do đó làm cho hình ảnh trông thậm chí còn thực tế ba chiều hơn, chẳng hạn như sử dụng kính phân cực trong rạp chiếu phim “3D” hoặc thấu kính lạc trên các bức ảnh được in đặc biệt. Tuy nhiên, các hệ thống như vậy vẫn chưa hoàn toàn chân thực bởi vì chúng không thực sự tạo ra phân phối phôtôn ba chiều đầy đủ. Điều này có nghĩa là các tái tạo “3D” của các vật thể như vậy chỉ có thể được xem từ một phạm vi hạn chế của góc nhìn và vẫn chưa hoàn toàn thuyết phục ba chiều. Một số người thấy rằng bởi vì các rạp chiếu phim “3D” như vậy sử dụng các thủ thuật thị giác thay vì phân phối phôtôn ba chiều hoàn toàn chính xác, chúng gây ra đau đầu và buồn nôn cho họ.
Một hologram thực sự có thể tái tạo chính xác phân phối phôtôn ba chiều, và do đó mang lại trải nghiệm thị giác ba chiều hoàn toàn của chiếc ghế hoặc bất kỳ vật thể nào được biểu diễn. Tuy nhiên, truyền thống thì hologram thực sự không thể truyền tải thông tin màu sắc thực hoặc thông tin chuyển động, và do đó vẫn không thể truyền tải một trải nghiệm thị giác ba chiều hoàn toàn thuyết phục. Tạo ra các hologram thực sự có thể truyền tải thông tin màu sắc thực và thông tin chuyển động là một lĩnh vực nghiên cứu đang được tiến hành. Lưu ý rằng có nhiều hình ảnh trong văn hóa đại chúng được gắn nhãn “hologram” một cách gây hiểu nhầm để tăng sức hấp dẫn của chúng mà thực tế không phải là hologram.
Hai đặc tính của phôtôn mà mắt người không thể nhìn thấy là spin (tức là phân cực) và pha sóng. Lưu ý rằng trong điều kiện thích hợp, một số người có thể phát hiện trạng thái phân cực tổng thể của một chùm sáng; nhưng không có mắt người nào có thể nhìn thấy trực tiếp mẫu phân cực. Bằng cách nhìn qua các bộ lọc phân cực có thể xoay, chuyển đổi thông tin phân cực thành màu sắc và thông tin độ sáng, một người được đào tạo có thể học cách gián tiếp nhìn thấy mẫu phân cực của các phôtôn đến từ một vật thể. Một ví dụ về điều này là phương pháp phân cực quang học cho phép mọi người nhìn thấy ứng suất cơ học trong một số vật thể nhất định. Trái ngược với con người, một số động vật như ong mật và bạch tuộc thực sự có thể trực tiếp nhìn thấy mẫu phân cực của một tập hợp phôtôn. Ví dụ, ong mật có thể nhìn thấy mẫu phân cực tự nhiên tồn tại trong bầu trời ban ngày và sử dụng nó cho mục đích định hướng.
Pha sóng phôtôn cũng không thể được phát hiện trực tiếp bởi con người nhưng có thể được phát hiện bởi các máy gọi là máy giao thoa. Bởi vì pha sóng phôtôn có thể mang thông tin chi tiết về khoảng cách mà phôtôn đã đi qua, thông tin pha có thể được sử dụng để phát hiện những biến đổi nhỏ trong độ phẳng của một bề mặt phản xạ, như được thực hiện trong quang học thích ứng.
Tóm lại, con người thực sự có thể nhìn thấy phôtôn, ngay cả phôtôn đơn lẻ cô lập. Con người có thể nhìn thấy tất cả các đặc tính của phôtôn ngoại trừ spin và pha sóng. Vì các phôtôn được sắp xếp thành các mẫu do nguồn tạo ra chúng hoặc vật cuối cùng mà các phôtôn tương tác với quy định, chúng ta thường không nhận ra rằng mình đang nhìn vào các phôtôn. Thay vào đó, chúng ta nghĩ rằng mình đang nhìn vào các vật thể vật lý đang tạo ra và phân tán các phôtôn.
Bây giờ, có lẽ bạn muốn hỏi, “Liệu con người có bao giờ nhìn thấy một phôtôn giống như cách chúng ta nhìn thấy một chiếc ghế không?” Một lần nữa, chúng ta có thể nhìn thấy một chiếc ghế bởi vì các phôtôn bật ra từ nó theo một mẫu đặc trưng của chiếc ghế và đi vào mắt chúng ta. Để nhìn thấy một phôtôn giống như cách bạn nhìn thấy một chiếc ghế, bạn phải có một nhóm phôtôn bật ra từ phôtôn duy nhất mà bạn đang cố gắng “nhìn thấy” và sau đó nhóm phôtôn này đi vào mắt bạn. Tuy nhiên, các phôtôn không bao giờ trực tiếp bật ra từ nhau, vì vậy điều này sẽ không bao giờ xảy ra. Ngay cả khi các phôtôn có thể bật ra từ nhau, bạn cũng sẽ không nhìn thấy điều gì đặc biệt từ thiết lập này. Bạn vẫn chỉ nhìn thấy một tia sáng lóe lên tại một điểm khi nhóm phôtôn nhỏ va chạm vào võng mạc của bạn. Khi bạn nghĩ rằng mình nhìn thấy một tia sáng đứng yên trong không gian, chẳng hạn như đến từ một ngọn đèn pin, trên thực tế bạn đang nhìn thấy các phôtôn đến từ các hạt bụi dọc theo đường đi của tia sáng.
