物理現(xiàn)實和人類感知
物理學(xué)起源于人類對自然的觀察和探索。早期人類主要借助感官來觀察自然。因此，從物理學(xué)的現(xiàn)象、概念到學(xué)科的分類，都或多或少受到人類感知的影響。例如熱力學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)的分類，最終都是基于人體對冷熱、視覺、聽覺的三種不同感覺。聲學(xué)中的響度、音高、音色，光學(xué)中的顏色等概念中，也都能感受到人類感知的影子。
在人類對自然的漫長認(rèn)識過程中，人們逐漸試圖將直覺感知與客觀現(xiàn)實區(qū)分開來。例如，在畢達(dá)哥拉斯和柏拉圖時代，人們認(rèn)為視覺是由眼睛發(fā)出的射線引起的。公元 11 世紀(jì)初中物理教材科教版，埃及光學(xué)家海曾認(rèn)識到視覺是外界光線進(jìn)入人眼后形成的。從海曾的認(rèn)識中可以看出，視覺和光不再是同一種東西：光是獨立于人類而存在的客觀現(xiàn)實，而視覺是人類的一種感知。
現(xiàn)代物理學(xué)建立后貝語網(wǎng)校，人們通常會構(gòu)造各種“模型”來描述客觀現(xiàn)實的主要性質(zhì)。這些描述雖然也是基于我們對空間、時間、數(shù)量等的感知，但更加抽象、量化。例如“光”的模型，經(jīng)歷了牛頓時代的剛性物理球、菲涅爾時代的彈性縱波、馬呂斯之后的彈性橫波、麥克斯韋、赫茲之后的電磁波，直到量子光學(xué)中被視為最小能量單位的光量子——光子。同時，光子在空間和時間中都具有波動性，玻恩將其解釋為概率波。在抽象的基礎(chǔ)上，物理學(xué)進(jìn)一步采取了“以量描述質(zhì)”的原則。例如，當(dāng)光被視為粒子時，動量和能量被用來定量描述我們關(guān)心的運動性質(zhì)。 當(dāng)光被視為波時（無論是彈性波、電磁波還是概率波），波速以及波函數(shù)的振幅、頻率、相位等特征量都是描述其運動性質(zhì)的。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探索其中的規(guī)律，構(gòu)建光學(xué)理論。
上述用模型描述世界、用理論接近真理的方式，在物理學(xué)中通常被認(rèn)為是客觀的。但我們必須看到，模型化的理論并不能100%地描述客觀世界。即使借助許多現(xiàn)代科學(xué)儀器，人們在認(rèn)識自然的過程中仍然離不開視覺、聽覺、體感等感官的作用。因此，一些原本指人類感官知覺的概念與描述客觀實體的概念由于一定的對應(yīng)關(guān)系而混雜在一起，導(dǎo)致一些概念的模糊性甚至失真。
02
“光的顏色”問題
最近看到一篇即將發(fā)表的文章，是河北師范大學(xué)楊大衛(wèi)教授寫的，文章中指出人教版初中物理教材中有一個錯誤：“紅、綠、藍(lán)三種顏色的光，按照不同的比例混合，可以產(chǎn)生各種顏色的光。”這種對“光的顏色”的誤解，其實在很多科普讀物甚至教材中都很常見。錯誤的原因在于概念描述的對象模糊。光是自然界客觀存在的，而顏色這個概念描述的是視覺，是人的一種知覺。
中國有句成語叫“眼見為實”。我們通常把眼睛直接看到的東西當(dāng)作最直接的證據(jù)，常常把人對某種光——顏色的視覺感受當(dāng)作光的某種客觀屬性。因此，很多物理書上把“光的顏色”等同于“光的頻率”或“光的波長”。但這忽略了視覺的形成是一個復(fù)雜的過程，它包括物理部分，即外界光線經(jīng)晶狀體聚焦到視網(wǎng)膜上，在視網(wǎng)膜上形成清晰的圖像；還包括生理部分，即照射到視網(wǎng)膜上的光線與視網(wǎng)膜上視覺細(xì)胞中的感光蛋白發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，從而轉(zhuǎn)換成視神經(jīng)上的神經(jīng)信號，傳遞到大腦；還包括心理部分，即傳遞到大腦的神經(jīng)信號經(jīng)大腦處理后，最終形成人的感知世界中對明暗、色彩等的感知。
圖1 國際照明委員會CIE色坐標(biāo)圖（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）
從物理角度來看，如果我們用電磁波模型來描述光的客觀存在，那么從廣義上講，所有的電磁波在基本性質(zhì)和行為模式上沒有區(qū)別，都可以看作是光。其中，只有波長范圍在約400nm~760nm的光才能產(chǎn)生視覺感知。而人們的色彩感知比這個范圍內(nèi)的每一種單一波長光對視覺刺激所產(chǎn)生的色彩感知要豐富得多。從圖1的CIE色坐標(biāo)圖可以看出，波長范圍在約400nm~760nm的光對視覺刺激只能形成馬蹄曲線上的那些色彩感知。馬蹄內(nèi)部還有更豐富的色彩感知，而這些感知可以通過不同頻率或波長的光的組合來刺激視覺而獲得，而這種組合通常不止一種。 例如波長約為589nm的鈉黃光進(jìn)入眼睛可引起黃色感覺，但波長約為550nm的綠光和波長約為650nm的紅光按一定比例同時進(jìn)入眼睛，也會引起同樣的黃色感覺。
再比如“白色”的色彩感知，你可以在CIE坐標(biāo)系中畫出任何一條經(jīng)過白色位置，并與馬蹄線兩邊相交的直線，在兩個交點處將相應(yīng)波長的光按一定比例混合，即可得到“二原色”的“白光”。也可以在馬蹄線的紅、綠、藍(lán)區(qū)域各取一點，將相應(yīng)波長的光按一定比例混合，這就是得到“三原色”的“白光”的方法。色彩感知完全一樣，但引發(fā)它的客觀現(xiàn)實——光的頻率或波長性質(zhì)可以完全不同。另外，懂?dāng)z影的朋友應(yīng)該對“白平衡”這個概念很熟悉。一張紙在完全不同的光照條件下，在攝像設(shè)備的感光元件上引起的反應(yīng)完全不同，但人的視覺會默認(rèn)將紙識別為“白色”。攝像設(shè)備必須將從感光元件獲得的電信號進(jìn)行修改，以達(dá)到與人眼視覺感知一致的狀態(tài)。
從以上分析中我們可以看出，“顏色”的視覺感受和光的客觀頻率或波長并不是一一對應(yīng)的，某種頻率的光進(jìn)入眼睛會造成一定的顏色感受，但這種視覺感受卻并非只由這種頻率或波長的光引起。因此，用原本基于視覺感官的“顏色”概念來描述“光”的客觀、真實性質(zhì)初中物理教材科教版，只是因為它更貼近人們的直接體驗，才被廣泛運用在日常生活乃至科技領(lǐng)域。但嚴(yán)格來說，“光的顏色”并不是一個嚴(yán)謹(jǐn)?shù)母拍睿褂脮r應(yīng)了解其界限。
03
聲學(xué)中的感知與現(xiàn)實
類似于光與色的問題，聲學(xué)中也有類似的例子。響度、音調(diào)、音色其實描述的是人的聽覺感受，而振幅、頻率、頻譜描述的則是客觀物體的振動性質(zhì)。人的聽覺與振動振幅的對應(yīng)關(guān)系比光的波長與色覺的對應(yīng)關(guān)系要簡單，但并不是簡單的成比例。振動振幅的增大，對應(yīng)的功率密度與振幅的平方成正比，但人的響度感受并不是線性增加的。描述響度感受的聲音強(qiáng)度級與描述物理現(xiàn)實——介質(zhì)振動的功率密度之間存在對數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。筆者在參與一些科普、科普教育活動和節(jié)目的設(shè)計時發(fā)現(xiàn)，人們往往本能地認(rèn)為能量增加一倍，聲音響度就會增加一倍。這背后的原因，其實就是對客觀現(xiàn)實與人的感知的混淆。
聽覺的音高和音色也是如此。音高的感知不能簡單地說與介質(zhì)的頻率相對應(yīng)，而是單調(diào)地與介質(zhì)振動的基頻相對應(yīng)。音色的感知則與介質(zhì)振動的頻譜相對應(yīng)，這類似于不同頻率的光的合成產(chǎn)生人對某種顏色的感知。但這種對應(yīng)關(guān)系比光的顏色感知更為復(fù)雜，很難找到簡單的規(guī)律。它仍然是聲學(xué)研究的前沿之一。我們無法完全用人工頻譜合成來還原人的語音，使假的看上去像真的。
04
將物理現(xiàn)實與人類感知區(qū)分開來
從某種意義上說，物理學(xué)與客觀世界的關(guān)系，是人類感知與客觀現(xiàn)實之間的一種“共振”，二者并不是同一個實體。物理學(xué)幫助我們認(rèn)識世界的完整過程是：（1）我們通過感官獲得經(jīng)驗；（2）我們在人類意識世界中建構(gòu)概念和模型，以對應(yīng)感官經(jīng)驗；（3）我們根據(jù)模型定義物理量、總結(jié)規(guī)律、構(gòu)建物理理論；（4）我們根據(jù)模型、規(guī)律和理論，預(yù)測和驗證客觀世界實驗可能帶來的新的感官經(jīng)驗；（5）我們通過上述過程，不斷完善理論，使意識世界的模型和理論盡可能地反映真實的客觀現(xiàn)實。
對于初學(xué)者來說，從觀察、體驗進(jìn)入物理才是正道，因此從感官經(jīng)驗中建立基本的物理概念也是必要的。但是，隨著對物理底層邏輯的理解，我們應(yīng)該意識到客觀現(xiàn)實與人的感知之間的區(qū)別，同時明確既定的物理概念和物理量所描述的對象是什么，哪些概念和物理量傾向于描述人的感知，哪些概念和物理量更貼近描述物理模型所反映的客觀現(xiàn)實的性質(zhì)。明確了物理現(xiàn)實與人的感知之間的區(qū)別后，我們就會意識到，不同語境下的相關(guān)概念和物理量所描述的對象其實并不相同，我們還需要進(jìn)一步理解其中的對應(yīng)關(guān)系，才能真正達(dá)到物理簡潔、完整、準(zhǔn)確地描述世界的目的。而這種概念的澄清本身就是對物理思想認(rèn)識的深化過程，是物理思想進(jìn)入課堂的具體方式和手段。
參考
[1]姚啟軍.光學(xué)教程.北京:高等教育出版社,2019
[2]趙開華.新概念物理教程：光學(xué).北京:高等教育出版社，2014
[3]廖寧芳.高等色譜學(xué).北京:北京理工大學(xué)出版社,2020