Original by Philip Gibbs 5-November-1996
Traduction lgmdmdlsr dec 2000
L'oeil humain est très sensible mais peut-on voir un photon isolé? La réponse est que les détecteurs de la rétine peuvent réagir à un photon isolé. Toutefois, des filtres neuraux ne permettent à un signal d'arriver jusqu'au cerveau et d'y engendrer une réponse consciente que si au moins 5 à 9 photons arrivent en moins de 100 ms. Si on percevait consciemment des photons isolés on subirait trop de "bruit lumineux" dans le cas d'un éclairage très faible, donc ce filtre est une adaptation nécessaire, et non une faiblesse.
Certaines personnes ont dit que des photons uniques peuvent être perçus et que des flashes très faibles produits par des matériaux radioactifs (par exemple) peuvent être vus. Ceci est incorrect. De tels flashes produisent un grand nombre de photons. De même il est impossible de déterminer la sensibilité qu'ont les astronomes amateurs à détecter les étoiles de très faible éclat à l'oeil nu. Ils sont limités par la lumière ambiante avant que la vraie limite soit atteinte. Pour tester la vraie sensibilité on doit procéder à une expérience plus soignée.
La rétine humaine située à l'arrière de l'oeil possède deux types de récepteurs connus sous le nom de cônes et de bâtonnets. Les cônes sont responsables de la vision des couleurs mais sont moins sensibles que les bâtonnets aux faibles éclairements. Sous un éclairage intense les cônes sont acitfs et l'iris est fermé. Ceci est appellé la vision photopique [NdT: "photopic vision"]. Quand on entre dans une pièce sombre les yeux s'adaptent tout d'abord en ouvrant l'iris de manière à faire entrer plus de lumière. Après une période de 30 minutes environ il apparaît d'autres adaptations chimiques qui entraînent une augmentation de la sensibilité des bâtonnets, dont le seuil de détection devient environ 10000 fois plus faible que celui nécessaire à l'activation des cônes. Après ce temps on voit beaucoup mieux dans l'obscurité mais on n'a qu'une vision des couleurs médiocre. Cette vision est la vision scotopique ["scotopic vision"].
La substance active dans les bâtonnets est la rhodopsine; un photon isolé peut être absorbé par une seule molécule qui change alors de forme et déclenche chimiquement un signal qui est transmis au nerf optique. L'aldéhyde qu'est la vitamine A joue aussi un rôle essentiel en tant de pigment absorbeur de lumière. Un symptôme de déficience en vitamine A est une cécité la nuit à cause de la défaillance de la vision scotopique.
Il est possible de tester la sensibilité visuelle de l'oeil humain en utilisant une source émettant une faible intensité lumineuse dans une pièce obscure. L'expérience a d'abord été menée avec succès par Hecht, Schlaer et Pirenne en 1942. Ils en conclurent que les bâtonnets peuvent détecter des quanta isolés durant la vision scotopique.
Dans leur expérience ils avaient laissé des sujets humains s'habituer 30 minutes à l'obscurité. Ils avaient disposé une source lumineuse contrôlée à 20° du point vers lequel étaient pointés les teux des sujets, de façon à ce que la lumière atteigne la région de la rétine possédant la concentration de bâtonnets la plus élevée. La source de lumière était un disque qui sous-tendait un angle de 10 minutes d'arc, et émettait un très faible flash de 1 milliseconde afin d'éviter une trop grande dispersion spatiale ou temporelle de la lumière. La longueur d'onde utilisée était d'environ 510 nm (lumière verte).
On demanda aux sujets de répondre "oui" ou "non" pour dire s'ils avaient ou non vu un flash. La lumière fut réduite en intensité jusqu'à ce que les sujets ne puissent que deviner la réponse.
Ils trouvèrent que environ 90 quanta devaient pénêtrer dans l'oeil pour un taux de 60% de réussite dans la réponse. Comme seulement 10% à peu près des photons arrivant à l'oeil touchent réellement la rétine, ceci implique qu'à peu près 9 photons sont nécesssaires à l'activation des récepteurs. Comme les photons avaient chacun frappé environ 350 bâtonnets les chercheurs purent en conclure que statistiquement les bâtonnets peuvent répondre à 1 photon isolé même si les sujets n'étaient pas capables de les percevoir s'ils arrivaient trop peu fréquemment.
En 1979 Baylor, Lamb et Yau réussirent à utiliser des bâtonnets de crapaud placés entre des électrodes et de montrer ainsi directement qu'ils répondent à des photons isolés.
Julie Schnapf, "How Photoreceptors Respond to Light", Scientific American, April 1987
S. Hecht, S. Schlaer and M.H. Pirenne, "Energy, Quanta and vision." Journal of the Optical Society of America, 38, 196-208 (1942)
D.A. Baylor, T.D. Lamb, K.W. Yau, "Response of retinal rods to single photons." Journal of Physiology, Lond. 288, 613-634 (1979)