인간의 눈은 광자 3개 있으면 빛을 인식한다

정상적인 눈을 가졌어도 사물을 보려면 빛이 있어야 합니다. 광원과 사물과 관찰자의 세가지 요소가 합쳐져서 볼 수 있게 됩니다. 그렇기에 어둠 속에서 인간은 사물을 볼 수 없습니다. 그러나 빛의 입자인 광자가 아주 조금이라도 존재하면 상황은 달라집니다. 우리의 눈 속의 특별한 세포가 활동합니다.

그러면 광자가 최소한 몇개 있으면 사람의 눈은 사물을 볼 수 있을까요? 이런 질문에 답하려는 연구는 1940년대부터 있어 왔습니다. 그런데 최근에 일리노이 대학교의 연구팀이 마침내 해답을 찾았습니다. 바로 광자 3개 있으면 빛을 인식한다고 합니다. 이번 연구결과는 최근 열린 미국 물리학회(APS, American Physical Society)의 컨퍼런스에서 발표되었다고 네이쳐에서 보도하였습니다.

망막의 간상세포와 원추세포

인간의 망막에는 간상세포와 원추세포가 있습니다. 간상세포는 명암을 확인하면 빛에 대해 감도가 매우 높습니다. 반면 원추세포는 색채를 인식하며 어둠에서는 별로 소용이 없습니다. 그래서 사람의 눈이 어느 정도의 희미한 빛까지 인식할 수 있는지 알아보려고 간상세포에 대해서 연구를 해왔습니다.

2012년에 발표된 다른 연구는 개구리의 간상세포를 배양접시에 올려놓고 실험하여 단지 하나의 광자에 대해서도 반응이 나타난다는 사실을 확인했습니다. 그러나 실제 신체에서는 이렇게 되지 않습니다. 눈에 닿는 빛의 90~97%는 반사되거나 흡수되어 간상세포에 도달하지 못합니다. 또한 신경계는 신중하게 조정되어 있어서 1개의 간상세포가 1개의 광자에 반응하게 되면 뇌는 간상세포의 오작동으로 해석합니다.

인간 눈은 광자 3개로 빛을 인식

예전 실험을 통해 인간의 간상세포는 광자가 2~7개 있으면 인식할 수 있다고 생각되어 왔습니다. 하지만 정확한 개수는 확인할 수 없었습니다. 왜냐하면 실험에 이용된 레이저 광선에 포함되는 광자의 숫자를 정확하게 제어하지 못하기 때문입니다. 그러나 기술의 발달로 인해 아주 정확한 제어가 가능하게 되어 이번 실험이 가능해졌습니다.

이번 실험에서 피실험자들은 깜깜한 방에서 정확히 30개의 광자를 포함한 레이저 광선을 눈에 맞았습니다. 연구팀은 간상세포에 도달되는 광자의 비율은 10%라고 가정하였습니다. 피험자들은 빛을 보았다고 생각되지 않더라도, 오른쪽이나 왼쪽 눈 어디로 왔는지 대답하였습니다. 그런데 단지 30개의 광자를 조사하였을 뿐인데도 피실험자들은 단순한 우연이라고 할 수 없는 높은 확률로 빛의 방향을 정확히 맞추었습니다. 이러한 사실로부터 인간의 눈은 광자가 3개 있으면 빛을 인식할 수 있다는 결론을 냐릴 수 있었습니다.