¿Qué ven las hormigas?

Las otras respuestas al efecto de que se necesitan grandes ópticas para ver los detalles finos son verdaderas para las ópticas de imágenes convencionales que detectan la campo lejano electromagnético o campo radiativo es decir aquel cuyo componente de Fourier en la frecuencia $ \ omega $ puede representarse como una superposición lineal de ondas planas con vectores de onda de valor real $ (k_x , \, k_y, \, k_z) $ con $ k_x ^ 2 + k_y ^ 2 + k_z ^ 2 = k ^ 2 = \ omega ^ 2 / c ^ 2 $. Este es el tipo de campo al que se aplica el límite de difracción de Abbe y limita los «ojos» como el nuestro, que comprenden ópticas de imágenes y retinas, o incluso ojos compuestos como los de una hormiga.

Sin embargo, este no es todo el campo electromagnético: muy cerca de los objetos que interactúan con él, el campo electromagnético incluye el campo cercano o componentes del campo evanenescente . Estas son ondas planas generalizadas para las cuales:

1. El componente del vector de onda en alguna dirección $ k_ \ paralelo $ es mayor que el número de onda $ k $ y por lo tanto, puede codificar variaciones espaciales potencialmente mucho más pequeñas que una longitud de onda;

2. El componente del vector de onda $ k_ \ perp $ ortogonal a esta dirección debe ser, por lo tanto, imaginario , de modo que se pueda cumplir $ k_ \ paralelo ^ 2 + k_ \ perp ^ 2 = k ^ 2 $.

Entonces, tales campos decaen exponencialmente con la distancia desde la perturbación hasta el campo electromagnético que los engendró y, por lo tanto, normalmente no pueden contribuir a una imagen formada por un sistema de imágenes.

Sin embargo, si puede acercar sus sensores de imagen lo suficiente a la perturbación, aún puede registrar el detalle codificado en los componentes evanescentes de longitud de onda más fina. Este es el principio del microscopio óptico de campo cercano de barrido .

El sensor del microscopio óptico de campo cercano puede ser extremadamente pequeño, de modo que una bacteria una forma de vida de tamaño inferior podría registrar detalles por debajo de la longitud de onda en el mundo que la rodea con receptores formados por unas pocas moléculas, siempre que la forma de vida estuviera lo suficientemente cerca del detalle en cuestión. Tenga en cuenta que, cuando $ k_ \ paralelo > k $, los campos decaen como $ exp (- \ sqrt {k_ \ paralelo ^ 2-k ^ 2} z) $ con una distancia ascendente $ z $ de sus fuentes. Por lo tanto, existe una compensación entre cuánto más fino que una longitud de onda podemos ver con un sensor de este tipo y qué tan cerca de la fuente debemos estar para verlo. Si queremos ver características de una décima parte de la longitud de onda de la luz visible, entonces $ k \ approx 12 {\ rm \ mu m ^ {- 1}} $ y $ k_ \ paralelo \ approx 120 {\ rm \ mu m ^ { -1}} $, de modo que la amplitud del campo cercano decae en un factor de $ e $ por cada centésima de longitud de onda distante de la fuente en la que se encuentra el detector. Por lo tanto, perdemos una relación señal / ruido de aproximadamente 10 dB por cada centésima de distancia de longitud de onda que separa el detector y la fuente. Entonces, para detectar detalles tan finos (estructuras de 50 nm) desde un micrón de distancia, se necesitarían fuentes de luz extremadamente fuertes, de modo que los detectores tendrían una señal muy limpia.

Por supuesto, lo anterior es un ejemplo extremo, pero Si usted es una forma de vida del tamaño de una bacteria que detecta directamente el campo usando una matriz finamente espaciada de sensores moleculares, es posible que pueda «ver» características del mundo por debajo de la longitud de onda en su vecindad inmediata. Además, es posible concebir una criatura diminuta que «siente» su vecindad usando microscopios de fuerza atómica moleculares.

Entonces, sí, si incluye toda la física y presta atención a la condición de que debe acercarse mucho a los objetos detectados, sería posible que una forma de vida del tamaño de una bacteria vea detalles por debajo de la longitud de onda en su forma inmediata. vecindad, tal vez incluso átomos individuales si incluimos la detección de fuerza atómica.

Por supuesto, empaquetar todo el «cerebro» de procesamiento de señales en la forma de vida necesaria para comprender esta información podría ser otro asunto.

Las hormigas solo tienen ojos de baja resolución, además de tres ocelos (ojos simples) que solo detectan un nivel de luz general y polarización, consulte

http://en.wikipedia.org/wiki/Ant#Morphology

Su capacidad para ver los detalles (los objetos pequeños y sus características) es mucho peor que la de los vertebrados como nosotros. Sugerir que los animales, especialmente los animales primitivos como las hormigas, podrían ver bacterias es absurdo.

La longitud de onda de la luz visible es de aproximadamente medio micrón, que también es del tamaño de muchas bacterias. Por lo tanto, no puede ver nada dentro de las bacterias con la luz visible, ni siquiera con tecnología de vanguardia. Para ver objetos más detallados, debe cambiar a rayos X o electrones y crear mejores microscopios.

Es aún más irreal proponer que una, o incluso una hormiga, podría ver un átomo (que es 10,000 veces más pequeño que una bacteria) a través de la luz visible.

No se puede simplemente escalar las cosas y El mundo no es invariante bajo las transformaciones de escala, decimos. Diferentes escalas de longitud ven diferentes tipos de fenómenos físicos y diferentes objetos físicos. El átomo de un tipo determinado tiene siempre el mismo tamaño y no se puede escalar. Además, ni siquiera escalaste correctamente porque no escalaste la longitud de onda de la luz. Además, la visión con resolución detallada requiere algunos «circuitos lo suficientemente grandes» para manejar la información, etc.

Por cierto, esto es válido incluso para los aceleradores. El LHC es nuestro mejor «microscopio» que puede ver distancias inferiores a $ 10 ^ {- 19} $ metros, pero para hacerlo, se necesitan túneles con los mejores imanes de 27 kilómetros de largo. Objetos tan pequeños como las hormigas no pueden ver con esta buena resolución, e incluso si pudieran, no podrían lidiar con la enorme cantidad de información que les darían sus ojos.

Animales lo suficientemente grandes – p.ej mamíferos: ven el mundo como nosotros. Existen diferencias bien conocidas entre los colores a los que son sensibles los diferentes mamíferos. Los perros, por ejemplo, son parcialmente daltónicos, en relación con lo que podemos hacer.

Comentarios

• El autor de la pregunta indicó específicamente en la pregunta que el La visión de las hormigas era solo una metáfora, y su pregunta era sobre la naturaleza de la luz. No es » ridículo » proponer la pregunta, ya que sintió la necesidad de decirlo más de una vez. Es ridículo reprender a los recién llegados a este foro por hacer preguntas, como me lo hiciste a mí hace un momento (sigue el enlace), y a este autor de la pregunta hace un momento.
• Estimado Olhovsky, ‘ no tiene razón, o cuál ‘ es la forma correcta de decir que ‘ estás equivocado sin reprenderte. 😉 La idea de que uno pueda ver bacterias o átomos es ridícula principalmente y exactamente porque contradice la naturaleza básica de la luz, es decir, que está hecha de ondas. Se puede usar cualquier metáfora, pero al final, la física tiene un contenido que no es una metáfora. En mi país, que no está a la vanguardia, el hecho de que la luz está hecha de ondas se enseña en las escuelas básicas, por lo que me reservo el derecho de decir que las personas que no conocen este punto carecen de educación básica.
• Y si el tema es sobre los recién llegados, permítanme decir que encuentro frustrante la reciente avalancha de preguntas de baja calidad. El propósito de este servidor no es atraer un número máximo de » recién llegados » aleatorios que escriben secuencias arbitrarias de palabras con al menos una pregunta. Marcos. Hace solo unos meses, se suponía, y casi lo era en la práctica, un servidor genuino para hacer y responder preguntas sobre física por parte de personas que realmente conocen algo de física. – Y gracias, Robert, por cierto.
• @ Luboš, estoy de acuerdo en que la calidad de las Preguntas ha disminuido, pero creo que las personas que realmente conocen algo de Física no están haciendo Preguntas, por las razones que sean. Cuando llegan los recién llegados, inmediatamente encuentran ejemplos de Preguntas que les parecen más estúpidas que su Pregunta, así que ¿por qué no formularlas? Las preguntas difíciles son difíciles de encontrar y es muy probable que no se respondan. Si hubiera una preponderancia de preguntas difíciles, las preguntas de baja calidad podrían postergarse.Lo que los recién llegados ‘ no ven, para que ‘ no se desanimen por ellos, son las Respuestas que dicen las Preguntas de baja calidad que ellos ‘ son estúpidos.
• Vaya, no ‘ t me han llamado estúpido de tantas formas interesantes Un rato. Me disculpo si la pregunta fue lo suficientemente esotérica para usted, ‘ intentaré hacerlo mejor la próxima vez, pero se trataba de física, no era ‘ t sobre programación, por ejemplo, así que ‘ no estoy seguro de cuál es su queja. Si pensó tan poco en la pregunta, ¿por qué no rechazarla y no contestarla? Además, no ‘ t » propuse » que se pudieran ver los átomos, pregunté , y es teórico, no práctico, pero asumiendo una resolución perfecta, entonces, y usando luz visible, ¿cómo se vería » » a esa escala?

El mundo de las hormigas está ordenado mucho más por la recepción química y las feromonas que por la visión . Las hormigas producen una serie de sustancias químicas que actúan como señales. También perciben otras sustancias químicas en su entorno, y como lo que podría llamarse un «superorganismo» tienen un mapa colectivo, un mapa químico, del terreno que habitan.

Las hormigas tienen ojos compuestos, y son bastante pequeñas. En su mayor parte, su propósito es detectar cambios repentinos en los niveles de luz. Una hormiga que lo percibe entonces recibe una señal de que algún depredador podría estar presente y, por lo tanto, es necesario salir de allí.

Algunas especies de baceteria tienen moléculas de opsina que son fotoactivas. Entonces, la recepción de fotones puede resultar en cambios en la actividad de la vía molecular. La molécula de rodopsina en nuestros ojos o retina tiene dos estados de conformidad para la recepción y no recepción de un fotón. La energía del fotón cambia la forma de la molécula y luego actúa para iniciar una vía molecular GTP que se amplifica finalmente en un potencial de acción neuronal. La rodopsina es una forma de moléculas de opsina, que en su clasificación general se superponen también con moléculas fotosintéticas en algunas bacterias. Sin embargo, los bacilos no forman ningún tipo de imagen de nada.

Para que un bacilo «vea» un átomo, necesitaría detectar rayos gamma. Los rayos gamma están en gran parte fuera del espectro EM disponible para los sistemas biológicos. De hecho, son letales.

Comentarios

• Veo que te degradaron una vez más :).
• I ‘ he fusionado las dos instancias de su (s) cuenta (s). Puede marcar la atención del moderador cuando eso suceda.

En cuanto a la función de la luz: Sí, puede reducir la escala (hasta un punto). He trabajado en un ASIC (Circuito Integrado de Aplicación Específica) que usó un proceso de 8 micrones (Cro-magnon para los estándares actuales). No pude ver el detalle de estos circuitos en el producto terminado (demasiado pequeño) PERO estaban hecho básicamente (lo estoy simplificando mucho) con imágenes fotográficas diminutas producidas por la luz (más allá del rango de la luz visible). Para decirlo de otra manera: el detalle que se puede resolver disponible de la luz es mucho, MUCHO más fino que el ojo humano sin ayuda puede ver.

Los biólogos afirman que las águilas pueden ver 10 veces más detalles que un humano (y el ojo de un águila es notablemente más pequeño que el ojo humano).

Lo que yo no » No sé, es donde el tamaño físico del ojo limita los detalles. No veo ninguna razón por la que no pueda reducirse … MUY hacia abajo. Pero no soy biólogo y (afortunadamente) no soy una hormiga. Sería interesante averiguar dónde terminan los globos oculares más pequeños y dónde se hacen cargo otros aparatos de visión.

Por lo tanto, su ejemplo de llegar a donde podría ver bacterias presenta un punto de ruptura interesante: teóricamente no hay Problema al ver una bacteria (tamaño de aproximadamente 1000 nm) en el extremo inferior de la luz UV (extremo superior de la luz visible humana), longitud de onda de aproximadamente 400 nm. Pero obviamente los detalles serían un poco confusos. La bacteria aparecería como una mancha borrosa y no ayudaría ningún anteojo. El límite teórico para que los microscopios ópticos modernos resuelvan detalles es de 200 nm (usando luz «verde» de 550 nm).