¿Por qué no podemos ver con poca luz si miramos el tiempo suficiente?

En aras de la simplicidad, reduzcamos esto a algo como la fotografía.

La apertura de una cámara puede permanecer abierta indefinidamente, lo que permite que la placa (o lo que sea que reciba y registre la luz) "reúna y guarde el efecto de los fotones" con el tiempo, si quiere expresarlo de esa manera. Eso permite que una cámara haga imágenes que nuestros ojos nunca pueden, por ejemplo, de "estelas de estrellas".

La retina no es como una placa fotográfica o los fotositos (o píxeles) de un sensor digital . No puede "recopilar y guardar" como lo hace una cámara. Hay una "frecuencia de actualización", por así decirlo, que no permite la recopilación y el ahorro de luz que no se aplica a las cámaras, porque a las cámaras no les importa si algo en su vecindad se les acerca sigilosamente y presenta un peligro para su vive. No ser capaz de detectar cambios rápidamente es algo que sería muy inconveniente para la supervivencia.

Es el muestreo de tiempo con largas exposiciones lo que realmente hace posible la magia de la astrofotografía digital. El verdadero poder de un sensor digital proviene de su capacidad para integrar o recolectar fotones durante períodos de tiempo mucho más largos que el ojo. Es por eso que podemos registrar detalles en largas exposiciones que son invisibles para el ojo, incluso a través de un gran telescopio.

_{Cómo funcionan las cámaras digitales}

La respuesta simple es que ese ojo no está construido de esa manera.

El ojo tiene muchos más "píxeles" que "enlaces" al cerebro y envía una imagen "preprocesada". Además, el ojo se mueve constantemente y escanea el "área de visión" y el cuerpo y la cabeza supuestamente también se mueven (voluntariamente o no, nadie puede congelarse por completo), por lo que una acumulación más prolongada de datos conduciría a una gran borrosidad.

Y el objetivo principal del ojo es detectar el peligro, algo que cambia o una víctima en movimiento, ya que los humanos no somos animales nocturnos, estamos construidos/optimizados para trabajar en modo activo en la luz, pasivo y durmiendo en la oscuridad. Como de todos modos existe una necesidad real de dormir, no hay una buena razón para desarrollar un sistema secundario para la visión nocturna, lo que significa duplicar completamente el sistema de visión principal con un modo de trabajo totalmente diferente (recopilación de datos durante mucho tiempo) que se usaría solo en muy poca división. de tiempo - cuando el depredador nos encuentra en la noche durmiendo y sobrevivimos al primer ataque.

Así que solo se modificó ligeramente el sistema principal con otro tipo de píxeles más sensibles a la luz, pero menos al color, lo que nos permite trabajar relativamente hasta la última noche y desde muy temprano en la mañana cuando solo se puede acceder a la división de la luz. A precio de color y detalles. Pero es mucho más barato, entonces el sistema secundario principalmente no utilizado. Y cubre más tiempo del que solemos usar para mudarnos.

Las diferencias a nivel de los fotorreceptores han sido abordadas por otros. Las restricciones mecánicas del sistema visual fueron brevemente insinuadas por @gilhad et al. , pero merecen más atención en mi opinión.

En primer lugar, en la oscuridad no podemos enfocar un objeto y nuestros ojos se moverán. E incluso cuando nos enfocamos en un punto específico, siempre hay movimiento de los ojos debido al temblor, la deriva y las microsacadas . Las microsacadas son pequeños movimientos involuntarios del ojo (Fig. 1) que han recibido bastante atención últimamente. Se estima que ocurren de 1 a 2 veces por segundo y pueden alcanzar amplitudes de hasta 1 grado de campo de visión (Martinez-Conde et al ., 2013) y durar alrededor de 15 ms (Cui et al ., 2009) . Se cree que estos movimientos impiden la adaptación a nivel de la retina y evitan el desvanecimiento de la imagen. Por lo tanto, las imágenes en la retinase renuevan constantemente mecánicamente . El cerebro a su vez estabiliza la imagen corrigiendo la imagen a nivel perceptivo a través de la retroalimentación oculomotora (Martinez-Conde et al ., 2013) .

^{Figura 1. Microsacadas registradas por un eye tracker. Fuente: Martínez-Conde et al . (2013)}

Mientras que una cámara debe fijarse en un soporte de trípode para permitir la sobreexposición, nuestros ojos no pueden fijarse en la misma medida , incluso cuando lo intentamos. Por lo tanto, la combinación de exposiciones como se indica en la pregunta es imposible y da como resultado imágenes borrosas. En cambio, las imágenes de la retina se actualizan constantemente y cuando las condiciones de iluminación son demasiado tenues, no podemos integrar la entrada de fotones en el dominio temporal.

Tenga en cuenta, sin embargo, que los fotorreceptores integran la entrada de fotones hasta cierto punto, dado que una mayor luminancia da como resultado percepciones más brillantes. Sin embargo, esto funciona solo en el orden de los milisegundos y no permite exposiciones a largo plazo necesarias para obtener imágenes como la que se muestra en la excelente respuesta de @anongoodnurse.

<sub>Referencias
- Cui et al ., Vis Res (2009); 49 (2): 228–36
- Martínez-Conde et al ., Nature Reviews Neurosci (2013); 14 : 83-96</sub>

Probablemente hay una capacidad teórica para hacerlo. El cerebro es increíblemente bueno en el procesamiento de señales, y probablemente podría lograr tal suma. Sin embargo, hay un límite. Tienes que mantenerte muy, muy quieto para que funcione.

Vaya a tomar una de las imágenes de lapso de tiempo, como la respuesta de anongoodnurse publicada. El obturador está abierto durante bastante tiempo (su imagen me parece una exposición de 30 minutos o 1 hora). Durante esa exposición, la cámara se mantiene perfectamente inmóvil. Todo el movimiento que ves es movimiento debido al movimiento de los objetos en la escena (o, si prefieres el tecnicismo, las estrellas se mantienen quietas y la cámara gira... realmente, muy, muy suavemente).

El cuerpo no tiene tal capacidad para bloquearse a sí mismo. Prueba a hacer una de esas fotos con la cámara en las manos y verás que es especialmente difícil. Ahora considere que sus ojos son aún más nerviosos que el resto de su cuerpo, capaces de moverse de un lado a otro. Tenemos un buen control sobre nuestros ojos, pero nada parecido a lo que necesitas para crear un efecto similar al de un trípode.

Por lo tanto, si tratara de usar sus ojos de esta manera, casi todo lo que vería es su propio movimiento. Presumiblemente, un individuo muy bien controlado podría sentir ese movimiento y explicarlo, pero hay pocas razones para que el cerebro tenga esa capacidad en el "hardware".

Por supuesto que podemos fijar nuestros ojos para ver con una precisión increíble, ¿verdad? Podemos leer palabras en una tabla optométrica a 20 pasos. Esas actividades se realizan en una escena que permite la retroalimentación visual. Si está demasiado oscuro, no recibimos suficiente información visual para ver hacia dónde apuntan nuestros ojos y compensar.

A lo que creo que te refieres es al fenómeno por el cual la cámara ajusta la exposición a la luz ajustando la apertura. También podemos hacer esto, pero sucede muy rápido. Vaya de una habitación oscura a una habitación más iluminada y quedará cegado, pero ese efecto desaparece pronto, y viceversa.

La pupila se abre en una habitación oscura y en la retina tiene lugar la producción de púrpura visual o rodopsina, un pigmento responsable de la visibilidad en condiciones de poca luz. Cuando ingresa a un área brillante, la pupila se contrae y la rodopsina se fotoblanquea, con producción de yodopsina.

https://en.wikipedia.org/wiki/Adaptation_(ojo)

^ Echa un vistazo a las secciones Adaptación a la oscuridad y Adaptación a la luz

(Lo siento, no tengo más fuentes, había hecho esto de mi libro de texto biográfico de la escuela secundaria y no puedo encontrarlo)

Prácticamente todas las respuestas que se centran en el movimiento del ojo que causa desenfoque (algo con lo que una cámara digital no tiene que lidiar) son incorrectas. El cerebro no tiene ningún problema en procesar imágenes con poca luz a gran velocidad.

La respuesta tiene que ver con el hecho de que el ojo no es una cámara. Se ha demostrado que gran parte de las teorías de la vieja escuela que se basaban en el hecho de que el ojo funciona como una cámara, como la persistencia de la visión, etc., son erróneas. El ojo no tiene una velocidad de obturación: la información se envía constantemente al cerebro sin demora de intervalo. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Persistence_of_vision )

Esto significa que la resolución de desenfoque/etc. se realiza en el cerebro, no a simple vista. Piense en la estabilización de imagen digital que realmente funciona y funciona en tiempo real. Sin embargo, el cerebro parece funcionar con fragmentos de información visual, aproximadamente entre 16 y 24 fragmentos por segundo. ¿Por qué esta velocidad? Bueno, gustarle al cerebro una computadora, probablemente tenga algo que ver con la cantidad de memoria que el cerebro puede almacenar para datos oculares no procesados. Las fotos de larga exposición requieren mucha memoria RAM para almacenar los datos sin procesar, y luego mucho tiempo para compilarlos en una sola imagen. Sin duda, el cerebro podría realizar la compilación de los datos sin procesar a la imagen, pero es muy probable que no pueda almacenar más de 1/24 de segundo de datos en la "memoria" antes de tener que compilar.

Más importante aún, hacerlo reduciría significativamente nuestro tiempo de reacción. Esto es importante porque no quieres un organismo que pueda ver una rama claramente por la noche, pero cuando intenta agarrarla, falla por 5-10 segundos.

¡Deseo que mi computadora sea capaz de enviar una ilustración de la disposición del ojo humano, en comparación con la idea hipotética de la "lente de la cámara", ya que los ojos orgánicos y la óptica de la cámara NO SON SIMILARES EN NINGÚN MODO! La mayoría de ustedes han cometido un grave error al hacer esto en sus discusiones.

El ojo usa una combinación de células ópticas orgánicas llamadas "bastones" y "conos" para manifestar una imagen. Además, existe un "punto muerto" en la imagen percibida por un ojo, debido al punto de inserción del nervio óptico. Cualquier discusión sobre la visión orgánica debe tener en cuenta estos hechos.

Los ojos orgánicos DEBEN pasar por un período variable de "adaptación a la oscuridad" para poder percibir una imagen también. El período mínimo es de 50 a 120 minutos; e incluso entonces, incluso la exposición de un instante a la luz "más brillante" borrará toda esta adaptación, lo que requerirá "reiniciar el reloj" para adaptar el ojo a la oscuridad, nuevamente.

Hay una historia anecdótica que afirma que los piratas usaban parches en los ojos para lograr y mantener la adaptación a la oscuridad en un ojo. Hay muchas ventajas en mantener un ojo adaptado a la oscuridad: uno está pasando de una cubierta muy iluminada a las áreas muy oscuras debajo de la cubierta del barco de la víctima. ¡Este es un caso en el que sería muy valioso poder quitar el parche y poder ver de inmediato al tripulante enemigo que entra con un machete!

Otro factor es que la distribución de bastones y conos no es uniforme a lo largo del ojo. Los conos se ocupan de la percepción del color y se concentran en el centro del campo visual. La concentración de conos declina rápidamente, yendo hacia el exterior.

Las densidades de bastones en el mismo ojo aumentan rápidamente, pasando de unos cinco grados desde el punto muerto hasta un máximo de aproximadamente 25 grados desde el punto muerto. Los bastones son responsables de nuestra visión periférica, nuestra "sensibilidad" incluso al movimiento aparentemente microscópico, Y NUESTRA VISIÓN NOCTURNA.

¡Debido a la falta de bastones en el centro del campo visual de nuestros ojos, no podemos ver nada delante de nosotros, en condiciones de poca luz!

Para poder atraer el máximo número de bastones para un "elemento de interés" en nuestro campo visual, tenemos que usar nuestra visión periférica y "engañar" a un lado de nuestro campo visual en aproximadamente 25 grados Esto es como observar la puerta de entrada en el centro de un edificio mirando "directamente" al centro de la fachada izquierda o derecha.

Uno también podría detectar el movimiento mucho más fácilmente que la forma exacta al mirar de esa manera. Al "mirar hacia un lado" continuamente y al alterar nuestra ubicación para cambiar el fondo, es muy posible que un leñador astuto (¡un nativo americano o un montañés, por ejemplo!) pueda no solo detectar un mapache en la copa de un roble, sino también para distinguir la forma de la zarigüeya mirándolo, ¡desde una rama inferior!

Muchos animales que son mucho más capaces de operar de noche tienen ojos que no solo están mejor equipados con células bastoncillos, sino que, de hecho, ¡son mucho más grandes que los nuestros! ¡Veríamos tan bien como cualquier búho, si hubiéramos nacido con ojos del diámetro de una toronja "jumbo"!

Además, observando y emulando de cerca al búho, con el movimiento de la cabeza, el tejer de un lado a otro y el mirar hacia adelante, mejoraríamos naturalmente la sensibilidad periférica y el "mirar hacia un lado" evocando imágenes más nítidas de esos objetos de interés para nosotros!

Lamento ser crítico, ya que muchos comentarios mostraron una gran comprensión de la óptica no orgánica, así como una gran imaginación, pero simplemente no es posible poder intercambiar alegremente los principios de la óptica no orgánica y la óptica orgánica.