人の目は光の粒「1個」まで感じる？ 正解率51.6%、当てずっぽうなら50%

光は、光子（こうし）と呼ばれる小さな粒でできています。星の光も、スマホの画面の光も、元をたどれば粒の集まりです。光をどこまでも弱くしていくと、最後は粒1個になります。では人の目は、その粒をたった1個だけでも感じ取れるのでしょうか。

2016年、オーストリアのウィーンの研究チームが、光の粒を1個ずつ放つ装置を作って確かめました。暗闇で「ピッ」が2回鳴り、どちらの音のときに光が来たかを答えるテストです。答えは2択なので、当てずっぽうでも正解率は50%になります。3人で3万回あまり答え、そのうち粒が1個出たと確かめられた2,420回の正解率は51.6%。50%をわずかに上回りました。ただし、その粒が目の表面まで届いたのは約2割の回と見積もられています。

目の細胞が光の粒1個に反応することは、1970年代には動物の網膜で確かめられていました。それでも、人が「見えた」と感じるには数個の粒が要ると考えられてきました。答えが出なかった大きな理由は、粒を1個だけ放つ方法がなかったことです。

011942年：網膜に光の粒が5〜14個ほど届けば「見えた」

1942年、アメリカのコロンビア大学のヘクト（Hecht）さんたちは、暗さに目を慣らした人に、ごく弱い光を一瞬だけ見せました。見えたと答えられたいちばん弱い光は、目の表面（角膜）に届いた粒で54〜148個でした。目の中で反射や吸収で失われる分を引くと、網膜の細胞が受け取ったのは多くても5〜14個と計算されました。しかもその粒は、別々の細胞が1個ずつ受け取ったはずだと考えられました。

暗い所で働く網膜の細胞を桿体（かんたい）といいます。1979年には、ヒキガエルの網膜から桿体を1本取り出し、その電流を測る実験が行われました。光の粒1個ごとに、ほぼ決まった大きさの信号が出ることが示されました。

細胞は1個で反応する。では、人の感覚としても1個で足りるのか。これが70年以上残った謎でした。目が暗さに慣れるしくみは暗い所で目が慣れるまで約30分かかる理由で紹介しています。

02ふつうの光は弱めても、粒の数を「ちょうど1個」にできない

レーザーなどの光をどれだけ弱めても、1回に出る粒の数はばらつきます。平均1個にしても、0個の回も、2個や3個の回もまじります。これでは「1個で見えたのか」が分かりません。

ウィーン大学などのチームは、光の粒を1個ずつあつかう技術（量子光学）を使いました。特別な結晶に紫外線のレーザーを当てます。すると紫外線の粒1個が、ごくまれにエネルギーの小さい2個の粒に分かれ、ペアで飛び出します。片方を高感度のカメラで数え、もう片方を目に向けて送ります。カメラが「ちょうど1個」を数えた回だけを、あとから選んで分析しました。網膜で2個以上の粒の信号が生まれてしまった回は、選んだ回の中で計算上1回にも満たないといいます。

032回の「ピッ」のどちらで光ったかを当てる

3人合わせて30,767回のテストのうち、カメラが粒をちょうど1個数えたのは2,420回でした。目の側にも粒が1個出たと確かめられた回です。その回の正解率が51.6%です。

差が小さいのには理由があります。カメラが1個を数えても、目の表面まで届くのは約2割。届いた粒も、多くは網膜で信号になる前に失われます。チームの見積もりでは、網膜で信号が生まれたのは選んだ回の約6%だけ。網膜に生まれた信号をすべて感じ取れたとしても、正解率は約53%が上限という計算でした。

「自信あり」と答えた242回に限ると、正解率は60%に上がりました。カメラが何も数えなかった回（ほとんどは粒が出ていない）では正解率50.5%で、音などの手がかりで当てていたわけではないことも確かめています。

04前の粒から10秒以内だと、正解率は56%に上がった

前に粒が出たと確かめられてから10秒以内の回では、正解率が56%でした。10秒より後では51.0%で、当てずっぽうと区別できませんでした。差がいちばん大きかったのは約3.5秒後です。

チームは、光の粒を1個受け取ると、目と脳の感度が数秒だけ上がるのではないかと考えています。目は、短い時間に届いた光をまとめて感じます。このまとめる時間は、やっと見えるくらいの光で0.1秒ほどと見積もられてきました。アメリカのイリノイ大学のチームは2017年、粒の数のばらつきが小さい光源で、もっと弱い光を送って調べ直しました。結果は平均約0.65秒でした。数秒は、それよりずっと長い時間です。

05どんでん返し：「1個では見えない」という研究も

2016年の論文にも、注意して読むところがあります。51.6%という結果だけでは、偶然だけでこのくらい以上の差が出る確率が約5.5%ありました。科学では、この確率が5%より小さいことを「偶然ではなさそう」と言う目安によく使います。その目安に、わずかに届いていません。平均1個の弱いふつうの光を使った別の実験と合わせて、ようやく約1.4%になりました。また、1人ずつでは回数が足りず、3人分をまとめて分析しています。

2024年には、フィンランドのヘルシンキ大学・アールト大学と、アメリカのワシントン大学のチームが別の答えを出しました。サル（マカク）の網膜の信号を記録し、人5人にも同じ形の2択テストをしてもらって、結果を比べました。人のテストで使ったのは、LEDのふつうの弱い光です。粒を1個ずつ放つ装置は、この論文では使っていません。

いちばん弱い光の見え方は、網膜の「ON経路」という信号の通り道と合っていました。この通り道は、千本単位の桿体のまとまりの中で、粒の信号が2個以上重なったときに信号を通します。1個だけの信号は、その多くを捨てます。そのぶん神経の雑音も消え、ごくわずかな明るさの違いを見分けられるとチームは考えています。

このチームは論文の中で、2016年の結果は「気づく確率がとても低く、偶然との差もぎりぎり」と指摘しました。粒を1個ずつ放つ装置を使った追試は、この論文とは別の、まだ発表前の研究です。その追試について、ほぼ同じ実験を回数を増やして行ったところ、正解率は偶然を上回らなかったと書いています。ただしその追試の詳しい結果は、確認できた範囲ではまだ論文になっていません。

061942年の5〜14個は、見えやすい条件をそろえた実験の数

1942年の5〜14個は、暗さに慣らした目に、いちばん見えやすい条件をそろえて青緑色の弱い光を見せたときの数です。しかも、網膜の桿体が受け取った粒の数を計算した「多くても」の値です。ふだんの夜空で星を見るときの粒の数を、直接測ったものではありません。

07まとめ

光の粒1個に、人は気づけるのか。2016年の実験は「ごくわずかに気づけるかもしれない」という結果でした。2024年の研究は「網膜は1個だけの信号の多くを捨てている」と考えています。

この2つのどちらが正しいかは、まだ決着していません。ほぼ同じ実験をやり直したというフィンランドのチームの結果が論文になれば、70年以上続く謎に、次の答えが出るかもしれません。